專利名稱：一種中高層大氣風場反演方法
一種中高層大氣風場反演方法技術領域
本發明屬于激光雷達探測技術領域，尤其涉及一種中高層大氣風場反演方法。
技術背景
中高層大氣風場參數是空間物理學研究的重要參數之一，結合空間物理的理論探索，能夠揭示空間的物理現象以及內含的相互作用和因果關系，同時中高層大氣風場參數在氣象研究、天氣預報、大氣環境監測和國防高技術等方面都具有廣泛的應用。
激光多普勒遙感測量已經有幾十年的發展過程，所采用的多普勒測量技術包括相干(外差)技術和非相干技術。其中，非相干技術對光學系統的要求不高、容易實現和加工， 其應用范圍還擴展到分子散射的探測。非相干系統利用大氣粒子產生的多普勒頻移直接得到徑向速度分布，是目前測量大氣風場的最有利的工具，并且非相干系統具有測量精度高、 分辨率高和三維風場信息等特點。目前國際普遍采用直接接收(非相干)激光雷達作為大氣風場測量的手段。
多普勒測風激光雷達徑向單波束探測得到的是水平風場在該探測方向的徑向分量，在適當的掃描方式下，多波束組合即可反演得到三維風場。目前，多普勒測風激光雷達采用具有固定仰角和相同間隔方位角的四個波束的掃描方式，即采用四波束進行風場反演，原理如圖1所示。
以正東方向為X軸正方向，正北方向為Y軸正方向，天頂的方向為Z軸正方向建立坐標系，激光的發射仰角為θ，分別探測四個徑向的風場，從而反演東西南北四個方向的徑向風速，徑向風速是指實際風速在激光束指向的這個方向上的分量值。一般規定正北方向為0°，東、南、西按順時針依次為90°、180°和360°，獲得徑向風速VH。
Vn = Vdl -i = N, S,E,ff (1)
式(1)中Vdi為多普勒頻移，λ為激光波長，根據幾何關系可得
VrN =VyCosO+ V2SmO VrE =Vx cos θ+ V2sm θ Vrs=-Vy cos θ+ V2sm θ Vrw =-Fx cos ^+ Fz sin ^⑵
經過推導可得大氣風場在χ軸、y軸、ζ軸的各自分量為
ν -VV -V V +V +V +Vy _ v rE v rW γ _ ν rN ν rS γ __ rE ^ r rW ^ r rN ^ r rS(3)2 cos 6 r 2cos6>4 sin 6
則水平風速大小Vh和方向γ分別為2cos6> 丨
y = arctan (Vx/Vy) + π {1-sign [ (Vy+1 Vy |) ‘ VjjVy ^ 0
在傳統的大氣風場反演方法中，需要通過多普勒測風激光雷達反演大氣層中四個
Vh =J(Vx)2HVy)2-Kw)2+ (K,-VJ2T ⑷4方向的徑向風速，在反演徑向風速的過程中，首先向大氣層某一預設方向發射激光信號，激光信號遇到大氣分子產生瑞利后向散射，瑞利后向散射大氣回波信號被接收，之后根據該方向的瑞利后向散射大氣回波信號確定該方向上的多普勒頻移，根據公式(1)確定大氣層中該方向的徑向風速，在獲取大氣層中四個預設方向的徑向風速后，根據公式C3)和(4)計算水平風速大小和方向。
在實施過程中，要借助于一臺多普勒測風激光雷達依次探測大氣層中四個預設方向的徑向風速，這導致大氣風場測量時間較長，降低了時間分辨率，時間分辨率是指在同一區域進行的相鄰兩次風場觀測或預報結果的最小時間間隔。發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種中高層大氣風場反演方法，可以縮短大氣風場測試時間，提高時間分辨率。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案
一種中高層大氣風場反演方法，包括
確定三個探測方向，三個探測方向包括第一探測方向、第二探測方向和第三探測方向，所述第一探測方向的天頂角為、其方位角為Q1，所述第二探測方向的天頂角為 Φ2、其方位角為θ 2，所述第三探測方向的天頂角為0°，其中，所述Q1* θ 2相差90°，所述牝和φ2相同、大于0°且小于90° ；
分別反演所述第一探測方向上的徑向風速Vri、第二探測方向上的徑向風速Vrt和第三探測方向上的徑向風速V,3 ；
在預先構建的三維坐標系中，根據所述Vri、Vrt和Vrt計算大氣風場的水平風速Vh、 以及所述大氣風場的方向與所述三維坐標系中X軸正方向之間的角度γ。
優選的，在上述方法中，所述預先構建的三維坐標系，以正東方向為X軸正方向、 以正北方向為Y軸正方向、以指向天頂方向為Z軸正方向，則
Vh =機2 + V；,
y = arctan(NjNy) + π {1-sign[ (Vy+1 Vy |) .VJ}，其中，^rVr2 cos φχ - F1 cos φ2sin φ2 sin θ2 cos φχ - sin φχ sin θχ cos φ2χ sin φ2 cos θ2 cos φχ - sin φχ cos θχ cos φ2 sin φ2 cos θ2 cos φχ - sin φχ cos θχ cos φ2
(Vr3 cosφι - Vrl)(sinφ2 cosθ2 cosφι - sinφι cosθλ cosφ2) + (Vr2 cosφι - Vrl cosφ2)(sinφι cosθλ) (sinφχ sin θχ)(sin φ2 cosθ2 cos病-sinφχ cosθχ cosφ2)~ (sinφ2 sin θ2 cos病-sin φχ sinθχ cosφ2)(sinφχ cosθχ)
(Vr3 cosφι - Vrl)(sinφ2 cosθ2 cosφι - sinφι cosO1 cosφ2) + (Vr2 cosφι - Vrl cosφ2)(sinφι cosO1)V =-少 (sinφχ sinO1 )(sinφ2 cosO1 cosφχ -sinφχ cosO1 cosφ2)- (sinφ2 sinO1 cosφχ -sinφχ sinO1 cosφ2)(sinφχ cosO1)ο
優選的，在上述方法中，反演任意一個探測方向的徑向風速的過程，包括
向大氣層中一個探測方向發射激光信號；
接收瑞利后向散射大氣回波信號；
計算所述探測方向的多普勒頻移vd，vd = [R-1 (v0+vd, Ta) -Tl-1 (v0)]，其中，R^1 (v0+vd, Ta)為頻率響應函數R(V(1+Vd，Ta)的反函數，IV1 (Vtl)為IY (Vtl)的反函數，
R(v0+vd,Ta) = Tlil (v。+vd，Ta)/TK2 (v。+vd，Ta)，其中，Tiu(VfVdJa)為瑞利后向散射大氣回波信號經過F-P標準具第一信號通道的透過率，TE2(v0+vd, Ta)為瑞利后向散射大氣回波信號經過F-P標準具第二信號通道的透過率，
Tl(V0) = a5IJ(a4I J，其中，a5為多普勒測風激光雷達接收機中第五探測器的校準常數，I。為所述第五探測器探測到的光強，&為所述多普勒測風激光雷達接收機中第四探測器的校準常數，Ils為所述第四探測器探測到的光強；
根據所述探測方向的多普勒頻移，計算所述探測方向的徑向風速。
優選的，在上述方法中，計算所述測量方向的多普勒頻移過程中，所述溫度Ta為模式溫度。
優選的，在上述方法中，計算所述測量方向的多普勒頻移過程中，所述溫度Ta為實測溫度；
確定所述實測溫度的過程包括
測量接收到的來自于所述第三探測方向的瑞利后向散射大氣回波信號的光子數 N (ζ)；
根據所述光子數計算所述大氣層的大氣密度P (ζ) , Ρ(ζ) = Ν[Ζ^(Ζ2ο)，其中，%N(Z0)Z0為參考高度，P (ζ0)為所述大氣層中參考高度處的密度，N(Ztl)為所述大氣層中參考高度處的光子數；
根據所述大氣密度計算所述大氣層中被探測高度處的實際溫度T(Z)，
Γ⑷=叩。+其中，T(Z0)為所述參考高度處P(Z) M(Z0) R ^ p(z)大氣層的溫度，M(Ztl)為所述大氣層中參考高度處的摩爾質量，M(Z)為所述大氣層中被探測高度處的摩爾質量，R為氣體常數，g(z)為重力加速度。
優選的，在上述方法中，所述Ct1和Φ2為30°。
由此可見，本發明的有益效果為本發明公開的中高層大氣風場反演方法中，在對大氣風場進行反演過程中，僅通過多普勒測風激光雷達對三個測量方向進行多普勒頻移測試，之后分別計算各個方向的徑向風速，最終根據三個測試方向的徑向風速確定大氣風場的水平風速和方向，由于整個大氣風場反演過程中只需要測量三個測量方向的多普勒頻移，與現有技術中測量四個測量方向的多普勒頻移相比，縮短了測量時間，從而提高了時間分辨率。
另外，本發明在反演徑向風速的過程中，采用被探測大氣層的實測溫度來計算多普勒頻移，可以進一步提高大氣風場數據的準確性。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為現有的四波束掃描示意圖2為本發明公開的一種中高層大氣風場反演方法的流程圖3為本發明公開的三波束掃描示意圖4為本發明公開的反演一個探測方向的徑向風速的方法的流程圖5為現有的多普勒測風激光雷達接收機的結構示意圖6為本發明公開的一種三維坐標系中激光束的分解圖7為本發明中確定被探測大氣層實測溫度的方法的流程圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
本發明公開了一種中高層大氣風場反演方法，可以縮短大氣風場測試時間，提高時間分辨率。其基本原理為在對大氣風場進行反演過程中，僅通過多普勒測風激光雷達對三個測量方向進行多普勒頻移測試，之后分別計算各個方向的徑向風速，最終根據三個測試方向的徑向風速確定大氣風場的水平風速和方向，由于整個大氣風場反演過程中只需要測量三個測量方向的多普勒頻移，與現有技術中測量四個測量方向的多普勒頻移相比，縮短了測量時間，從而提高了時間分辨率。
參見圖2，圖2為本發明公開的一種中高層大氣風場反演方法的流程圖。包括
步驟Sl 確定三個探測方向。
三個探測方向包括第一探測方向、第二探測方向和第三探測方向。其中，第一探測方向的天頂角為、其方位角為Q1，第二探測方向的天頂角為Φ2、其方位角為θ2，第三探測方向的天頂角小3為0°。并且，Q1* θ 2相差90°，(^和Φ2相同、大于0°且小于 90°。即第三探測方向為垂直向上，第一探測方向和第二探測方向為斜向上，并且第一探測方向在水平面上的投影與第二探測方向在水平面上的投影正交。該三波束的示意圖請參見圖3。
步驟S2 分別反演三個探測方向的徑向風速。
利用多普勒測風激光雷達對三個探測方向進行徑向風速反演的過程基本一致。其中，反演一個探測方向的徑向風速的過程如圖4所示，包括
步驟S21 向大氣層中一個探測方向發射激光信號。
步驟S22 接收瑞利后向散射大氣回波信號。
當激光信號遇到大氣分子后會產生瑞利后向散射，多普勒測風激光雷達可以接收該瑞利后向散射大氣回波信號。
步驟S23 計算該探測方向的多普勒頻移vd。
vd = [R-1 (v0+vd, Ta) -Tl-1 (v0)]，其中，vQ為多普勒頻移，vQ為激光發射頻率， R-1 (v0+vd, Ta)為頻率響應函數R(V(1+Vd，Ta)的反函數，IV1 (Vtl)為Tl(V0)的反函數。
頻率響應函數R(v。+vd，Ta) = Tei (v0+vd, Ta)/TE2(v0+vd, Ta)，其中，Tei (v0+vd, Ta)為瑞利后向散射大氣回波信號經過F-P標準具第一信號通道的透過率，TE2(v0+vd, Ta)為瑞利后向散射大氣回波信號經過F-P標準具第二信號通道的透過率。F-P標準具兩個信號通道的透過率可以表示為
Tri (v0 +vdJJ = HXv0 +vd) fL(v0 +vd) fRay(v0 +vd,Ta)
其中，fL(v0+vd)為激光發射譜線，h, (v0+vd)為F-P標準具透過率函數，fEay(v0+vd, Τ)為瑞利后向散射增寬譜線，Ta為溫度，i = 1，2為兩個信號通道，《 ，，表示卷積。
TL(v0) = Mw^a4IJ，其中，a5為多普勒測風激光接收機中第五探測器的校準常數，ILe為該第五探測器探測到的光強，a4為多普勒測風激光雷達的接收機中第四探測器的校準常數，Ils為該第四探測器探測到的光強。多普勒測風激光雷達接收機的結構如圖5所示，主要包括第一感測器101、第二探測器102、第三探測器103、第四探測器104和第五探測器105，其中，第五探測器105用于檢測參考光的光強Ile，第四探測器104用于檢測參考光透過F-P標準具后的光強U。
步驟S24 根據該探測方向的多普勒頻移計算徑向風速。
某個探測方向的徑向風速由該探測方向的多普勒頻移確定，徑向風速與多普勒頻移的關系為廠 =Vift^i = 1，2，3，其中，i表示三個探測方向，λ為激光波長。即某個探測方向的徑向風速為該探測方向的多普勒頻移與激光波長的乘積的1/2。
對每個探測方向分別執行步驟S21至S24的步驟后，就可以確定三個探測方向上的徑向風速。
步驟S3 在預先構建的三維坐標系中，根據三個探測方向的徑向風速計算大氣風場的水平風速、以及大氣風場的方向與三維坐標系中X軸正方向之間的角度。
確定三個探測方向的徑向風速后，將其以向量的形式分別在預先建立的三維坐標系中進行表示，其中，向量的大小表示徑向風速的大小、向量的方向表示探測方向。之后，基于三角函數公式計算大氣風場的水平風速、以及大氣風場的方向與該三維坐標系中X軸正半軸之間的角度。實施中，還可以進一步根據X軸正半軸所代表的實際方向和角度Y確定大氣風場的方向。
圖6為本發明公開的一種三維坐標系中激光束的示意圖，該三維坐標系中，以正東方向為X軸正方向、以正北方向為Y軸正方向、以指向天頂方向為Z軸正方向。
第一探測方向巧的單位矢量為g = sin病cos《J+sin病sin《-) + cos病·系。式中，θ 為第一探測方向Α的方位角，Ct1為第一探測方向巧的天頂角J為χ方向的單位矢量， 為 y方向的單位矢量，石為ζ方向的單位矢量。
以此類推，
第二探測方向r2的單位矢量為g = sin武cos^J+sin武sin代_) + cos武4。其中，θ 2為第二探測方向r2的方位角，Φ2為第二探測方向r2的天頂角。
第三探測方向r3的單位矢量為= Sin疼cos .7+sin疼sin +cost系。其中θ 3為第三探測方向r3的方位角，Φ 3為第三探測方向r3的天頂角。由于第三探測方向r3為垂直向上，因此，92和φ3均為0°。
假定水平風矢量為歹=Vx -1+ Vy-J+ V2-k ,則三個徑向風速為6/8頁Vrl = Vx sin 於 Cos^1 + Vy sin 病 SinOl +Vz cos ^
\ Vr2 = Vx sin φ2 cos02 + Vy sin ^2 sin ^2 + Vz cos 於2Vr3 = Vx smφ3 cos03 +Vy sin sin ^3 + Vz cos
可求得r/Vr2 cos φλ - F1 cos φ2sin φ2 sin θ2 cos φλ - sin φλ sin θλ cos φ2

Vx =——x sin φ2 cos O1 cos φλ - sin φλ cos Ox cos φ2 sin φ2 cos O1 cos φλ - sin φλ cos Ox cos φ2(F3 cosφλ - F1 )(sinφ2 cosO1 cosφλ - sinφλ cosOx cosφ2) + (F2 cosφλ - F1 cosφ2)(sinφλ cosOx) (sinφλ sin θλ)(sin φ2 cosO1 cosφλ - sinφλ cosOx cosφ2) - (sinφ2 sin θ2 cosφλ - sin φλ sinθλ cosφ2)(sinφλ cosOx)
(Vr3 cosφλ - Vrl)(sinφ2 cosO1 cosφλ - sinφλ cosθχ cosφ2) + (Vr2 cosφλ - Vrl cosφ2)(sinφλ cosO1)V —-少 (sinφχ sinOx)(sinφ2 cosO1 cosφχ -sinφχ cosθχ cosφ2)~ (sinφ2 sinO1 cosφχ -sinφχ sinOx cosφ2)(sinφχ cosθχ)
大氣層風場的水平風速大小、以及風場方向與三維坐標系中X軸正半軸之間的夾角分別為
Vh=^V1x +V1y
y = arctan (NjN1) + Ji {1-sign [ (Vy+1 Vy |) · Vj} Vy ^ 0
當然，三維坐標系可以采用多種形式，而并不限于上述公開的形式。優選的，以指向天頂的方向為Z軸的正半軸，以正南、正北、正東和正西四個方向中相鄰的兩個方向作為 X軸的正半軸和Y軸的正半軸，此時，可以降低確定\和Vy的計算量。
本發明上述公開的中高層大氣風場反演方法中，在對大氣風場進行反演過程中， 僅通過多普勒測風激光雷達對三個測量方向進行多普勒頻移測試，之后分別計算各個方向的徑向風速，最終根據三個測試方向的徑向風速確定大氣風場的水平風速和方向，由于整個大氣風場反演過程中只需要測量三個測量方向的多普勒頻移，與現有技術中測量四個測量方向的多普勒頻移相比，縮短了測量時間，從而提高了時間分辨率。
實施中，在計算某個探測方向的多普勒頻移的過程中，溫度Ta可以采用模式溫度， 該模式溫度由本領域技術人員慣用的標準溫度，但是大氣層的溫度受到很多因素的影響， 因此模式溫度與被探測大氣層的實際溫度可能存在一定差異。為了進一步提高大氣風場數據的準確性，本發明中優選被探測大氣層的實測溫度作為計算多普勒頻移的參量。
參見圖7，圖7為本發明中確定被探測大氣層實測溫度的方法的流程圖。包括
步驟SlOl 測量接收到的來自于第三探測方向的瑞利后向散射大氣回波信號的光子數N(Z)。
在多普勒測風激光雷達接收到來自于第三探測方法的瑞利后向散射大氣回波信號之后，通過光子計數探測器測量該回波信號的光子數，記為N(Z)。
步驟S102 根據該光子數計算所述大氣層的大氣密度P (ζ)。
激光雷達方程為
N(z) = ^4^exp[-2[a(zyz](5)ζO
在式(5)中，C。為系統常數，P (ζ)為大氣密度，σ (ζ)為大氣消光系數，N(ζ)為9
在中高空，大氣的消光系數很小，則式(5)可以簡化為TV⑷= ^4^,取某高度~Z為參考高度，可得
CrlP(Zn)N(Z0) =(6)Z
聯立式(5)和式(6)可求得大氣密度廓線
徹=(V)N(Z0)Z0
在式(7)中，ζ為要探測的高度，Z0為設定的參考高度，P (Z0)為大氣層中參考高度處的密度，N(Ztl)為從參考高度處接收的光子數，N(Z)為從要探測高度處接收的光子數。
步驟S103 根據大氣密度計算大氣層中被探測高度處的實際溫度T(Z)。
理想氣體方程為
pV = mRT/M = nRT (8)
在式(8)中，ρ為狀態參量壓強，V為體積，m為質量，M為摩爾質量，R為氣體常量， T為絕對溫度，η為物質的量。
ccP(z) ^ \ pgdz(9)ζ
式(9)表示高度ζ處的氣壓等于從該高度到大氣上界的單位面積氣柱所受的重力。
將式(7)代入式⑶和式(9)，可以求得大氣溫度廓線T(Z)
T(Z) = T(Z0)pi^ M(z)(10)P(Z) M(Z0) R ^ p(z)v )
其中，T(Ztl)為參考高度處大氣層的溫度，M(Z0)為大氣層中參考高度處的摩爾質量，M(Z)為大氣層中被探測高度處的摩爾質量，R為氣體常數，g(z)為重力加速度。
執行上述步驟SlOl至S103后，可以確定大氣層被探測高度處的實測溫度，將該實測溫度用于計算多普勒頻移的過程，可以提高多普勒頻移的精度，最終提高大氣風場反演數據的準確性。
實施中，當第一探測方向的天頂角Φ1和第二探測方向的天頂角Φ2很小時，會增大多普勒測風激光雷達中望遠鏡的安裝難度，當第一探測方向的天頂角小工和第二探測方向的天頂角Φ2很大時，對多普勒測風激光雷達中激光器的能量要求較高。因此，本發明中可以設置牝和Φ2位于30° 60°之間，一方面降低了望遠鏡的安裝難度，另一方面也降低了對激光器能量的要求。
優選的，將Ct1和Φ2設置為30°。
另外，可以調整第一探測方向和第二探測方向，使得第一探測方向和第二探測方10向在水平面的投影為正南、正北、正東和正西中相鄰的兩個，此時，Vx和Vy的計算公式被簡化，從而為了降低計算大氣風場的水平風速和方向的運算量。
例如，在圖3中，在三維坐標系以正南方向為X軸正方向、以正東方向為Y軸正方向、以指向天頂的方向為Z軸正方向，同時，第一探測方向的方位角Q1Sf、天頂角牝為 30°，第二探測方向的方位角92為90°、天頂角，第三探測方向的方位角93為 0°、天頂角(^為0°。Vx=IVrlSvr3
求得，K-Ks
本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權利要求
1.一種中高層大氣風場反演方法，其特征在于，包括確定三個探測方向，所述三個探測方向包括第一探測方向、第二探測方向和第三探測方向，所述第一探測方向的天頂角為、其方位角為Q1，所述第二探測方向的天頂角為 Φ2、其方位角為θ 2，所述第三探測方向的天頂角為0°，其中，所述Q1* θ 2相差90°，所述牝和φ2相同、大于0°且小于90° ；分別反演所述第一探測方向上的徑向風速Vri、第二探測方向上的徑向風速Vrt和第三探測方向上的徑向風速Vrt;在預先構建的三維坐標系中，根據所述Vri、Vrt和Vrt計算大氣風場的水平風速Vh、以及所述大氣風場的方向與所述三維坐標系中X軸正方向之間的角度Y。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述預先構建的三維坐標系，以正東方向為X軸正方向、以正北方向為Y軸正方向、以指向天頂方向為Z軸正方向，則K=^jK2+ K,Y = arctan (Vx/Vy)+ JI {1-sign [ (Vy+1 Vy |) .VJ}，其中，F2 cos φχ - F1 cos φ2sin φ2 sin θ2 cos φχ - sin φχ sin θχ cos φ2Vx =---1 sin φ2 cos θ2 cos φλ - sin φλ cos O1 cos φ2 sin φ2 cos θ2 cos φλ - sin φλ cos O1 cos φ2(Vr3 cosφι - Vrl)(sinφ2 cosθ2 cosφι - sinφι cosO1 cosφ2) + (Vr2 cosφι - Vrl cosφ2)(sinφι cosO1) (sin φι sin O1 )(sin φ2 cosθ2 cos病—sinφι cosO1 cosφ2)- (sinφ2 sin θ2 cos病—sin φι sinO1 cos φ2)(sinφι cosO1)(Vr3 cosφι - Vrl)(sinφ2 cosθ2 cosφι - sinφι cosO1 cosφ2) + (Vr2 cosφι - Vrl cosφ2)(sinφι cosO1)V =-少 (sinφχ sinO1 )(sinφ2 cosO1 cosφχ -sinφχ cosO1 cosφ2)- (sinφ2 sinO1 cosφχ -sinφχ sinO1 cosφ2)(sinφχ cosO1)ο
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，反演任意一個探測方向的徑向風速的過程，包括向大氣層中一個探測方向發射激光信號； 接收瑞利后向散射大氣回波信號；計算所述探測方向的多普勒頻移vd，vd = [R-1 (v0+vd, Ta) -Tl-1 (v0)]，其中，IT1 (v0+vd, Ta) 為頻率響應函數R(V(1+Vd，Ta)的反函數，IV1 (Vtl) % Tl(V0)的反函數，R(v0+vd,Ta) = Tlil (v。+vd，Ta)/TK2 (v。+vd，Ta),其中，Tiu(Vc^VdJa)為瑞利后向散射大氣回波信號經過F-P標準具第一信號通道的透過率，TE2(v0+vd, Ta)為瑞利后向散射大氣回波信號經過F-P標準具第二信號通道的透過率，TL(v0) =Al^ZOi4IJ,其中， 為多普勒測風激光雷達接收機中第五探測器的校準常數，ILe為所述第五探測器探測到的光強，a4為所述多普勒測風激光雷達接收機中第四探測器的校準常數，Ils為所述第四探測器探測到的光強；根據所述探測方向的多普勒頻移，計算所述探測方向的徑向風速。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，計算所述測量方向的多普勒頻移過程中， 所述溫度Ta為模式溫度。
5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，計算所述測量方向的多普勒頻移過程中， 所述溫度Ta為實測溫度；確定所述實測溫度的過程包括測量接收到的來自于所述第三探測方向的瑞利后向散射大氣回波信號的光子數根據所述光子數計算所述大氣層的大氣密度P (ζ)，P(z) = N(')Z fZ2o)，其中，Z0為參N(Z0)Z0考高度，P (z0)為所述大氣層中參考高度處的密度，N(Ztl)為所述大氣層中參考高度處的光子數；根據所述大氣密度計算所述大氣層中被探測高度處的實際溫度T(Z)， Γ㈡=作。)孕# +華「。^ii/z,其中，T(Z0)為所述參考高度處大氣M(Z0) R ^ ρ(ζ)層的溫度，M(Ztl)為所述大氣層中參考高度處的摩爾質量，M(Z)為所述大氣層中被探測高度處的摩爾質量，R為氣體常數，g(z)為重力加速度。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述Ct1和Φ2為30°。
全文摘要
本發明公開了一種中高層大氣風場反演方法，包括確定三個探測方向，所述三個探測方向包括第一探測方向、第二探測方向和第三探測方向，所述第一探測方向的天頂角為φ1、其方位角為θ1，所述第二探測方向的天頂角為φ2、其方位角為θ2，所述第三探測方向的天頂角為0°，所述θ1和θ2相差90°，所述φ1和φ2相同、大于0°且小于90°；分別反演所述第一探測方向上的徑向風速Vr1、第二探測方向上的徑向風速Vr2和第三探測方向上的徑向風速Vr3；在預先構建的三維坐標系中，根據所述Vr1、Vr2和Vr3計算大氣風場的水平風速Vh、以及所述大氣風場的方向與所述三維坐標系中X軸正方向之間的角度γ。本發明公開的中高層大氣風場反演方法，縮短了測量時間，從而提高了時間分辨率。
文檔編號G01S17/95GK102508222SQ201110369049
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者夏海云, 孫東松, 王國成, 竇賢康, 胡冬冬, 薛向輝 申請人:中國科學技術大學