一种多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法及系统，该方法包括：获取光学数据和正则参数；光学数据包括气溶胶消光系数和气溶胶后向散射系数；确定核矩阵；根据核矩阵、光学数据以及正则参数，计算权系数；根据光学数据、核矩阵、权系数，计算评估误差；确定评估集合；判断评估误差是否在评估集合内，若否则调整正则参数，返回计算权系数步骤，若是则根据权系数，反演确定大气气溶胶粒子谱分布。与现有技术相比，本发明专利技术通过采用NCRE算法选取合适的正则参数，实现大气气溶胶粒子谱分布精确反演，且计算简单，适用范围广。

An inversion method and system for aerosol particle spectrum distribution in multi wavelength lidar

The invention discloses a multi-wavelength lidar aerosol particle spectrum distribution inversion method and system, which includes: acquiring optical data and regular parameters; optical data including aerosol extinction coefficient and aerosol backscattering coefficient; determining nuclear matrix; computing weight according to nuclear matrix, optical data and regular parameters Coefficient; According to optical data, kernel matrix, weight coefficient, calculate the evaluation error; Determine the evaluation set; Judge whether the evaluation error is in the evaluation set, if not adjust the regular parameters, return to the calculation of weight coefficient steps, if according to the weight coefficient, determine the atmospheric aerosol particle spectrum inversion. Compared with the prior art, the present invention adopts NCRE algorithm to select appropriate regular parameters, realizes accurate inversion of atmospheric aerosol particle spectrum distribution, and has simple calculation and wide application range.

【技术实现步骤摘要】
一种多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法及系统
本专利技术涉及激光雷达数据
，特别涉及一种多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法及系统。
技术介绍
气溶胶是大气的成分之一，它对气候变化、环境污染、人类健康等有重要的影响而成为全球关注的焦点。特别近些年来，在全球各地越来越频繁发生的沙尘、雾霾现象，使得气溶胶的物理化学以及光学属性受到越来越多的关注。气溶胶消光系数、粒子谱分布等是气溶胶的基本光学和物理特性，它们对于研究气溶胶的辐射迫力和气溶胶对气候变化的影响有非常重要的作用。此外，气溶胶粒子谱分布也是重要的环境质量标准之一，气溶胶对人体健康的影响与气溶胶颗粒的粒径大小有关。因此，精确测量气溶胶粒子谱分布及其时空变化十分重要。现阶段对气溶粒子谱观测分析的方法主要有直接采样分析法和遥感法。直接采样分析法主要采用粒子谱仪和光谱仪等直接获取气溶胶粒子谱相关数据并进行分析，但这种方法局限于点测量，无法实现大范围空间上的连续探测。遥感法采用太阳光度计、激光雷达等遥感探测工具对大气气溶胶进行探测，并使用专门的算法对遥感数据进行处理，从而获取气溶胶粒子谱分布的信息。其中，激光雷达作为主动遥感探测工具，可连续探测气溶胶高分辨率的时空分布，具有明显的优势。特别是多波长激光雷达技术，可以同时获取多个波长的激光雷达信号与气溶胶粒子相互作用的信息，对气溶胶粒子谱分布等进行探测，广受关注。多波长激光雷达气溶胶粒径分布探测，是通过探测多个波长的激光与大气分子和气溶胶粒子相互作用产生的后向散射光信号，反演气溶胶消光系数和后向散射系数，进而利用获得的光学数据，采用相关的方法求解第一类Fredholm积分方程，从而得到气溶胶粒子谱分布。第一类Fredholm积分方程表示了气溶胶物理特性与光学特性之间的关系，但该方程不能直接进行求解，需应用一些特别的数学方法进行处理，否则会产生不适定反演问题。因此，采用何种方法求解第一类Fredholm积分方程，是实现气溶胶粒子谱分布高精度反演的先决条件。目前，求解第一类Fredholm积分方程常用带约束条件的正则法进行求解，该方法不需要预先知道解的形式，可以采用与不适定问题相邻近的适定问题的解去逼近不适定问题的解，其反演的能力已经在相关研究中证明。但如何选取正则参数一直是亟待解决的技术问题，因为过大的正则参数会使反演结果过度平滑，丢失有用信息，而过小的正则参数会使反演结果产生振荡，去噪不充分。现有方法利用GCV(GeneralizedCross-Validation)法确定正则参数，即选取GCV参数取最小值时的拉格朗日乘子作为正则参数。当拉格朗日乘子取值较小的时候，GCV参数随拉格朗日乘子的增大而减小，并出现强烈的抖动，说明GCV参数值不稳定；当拉格朗日乘子取某一范围值时，抖动消失，并且当拉格朗日乘子取全局最小值时，GCV参数值达到稳定；当拉格朗日乘子取值大于全局最小值时，GCV参数继续增加。该方法需计算GCV参数，并且需分析参数值随拉格朗日乘子的变化过程，因而存在计算复杂、只适合某些特定场合等不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法及系统，通过采用NCRE算法选取合适的正则参数，实现大气气溶胶粒子谱分布精确反演，且计算简单，适用范围广。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法，所述多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法包括：获取光学数据和正则参数；所述光学数据包括气溶胶消光系数和气溶胶后向散射系数；确定核矩阵；根据所述核矩阵、所述光学数据以及所述正则参数，计算权系数；根据所述光学数据、所述核矩阵、所述权系数，计算评估误差；确定评估集合；判断所述评估误差是否在所述评估集合内，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述评估误差不在所述评估集合内，则调整所述正则参数，返回计算权系数步骤；若所述第一判断结果表示所述评估误差在所述评估集合内，则根据所述权系数，反演确定大气气溶胶粒子谱分布。可选的，所述获取光学数据，具体包括：获取多波长激光雷达数据；所述多波长激光雷达数据包括：355nm、532nm和1064nm波长的米-瑞丽散射信号，以及387nm和607nm波长的拉曼散射信号；采用弗纳尔德算法和拉曼激光雷达算法，对所述多波长激光雷达数据进行反演，计算气溶胶消光系数和气溶胶后向散射系数。可选的，所述确定核矩阵，具体包括：根据以下公式确定核矩阵；所述公式为：其中，APj(m)表示由相应的核函数KP(r,m)和基函数Bj(r)计算得到的核矩阵元素；j＝1,...,5，对应相应的基函数；p＝(i,λ)，表示数据种类以及波长，i＝α,β，α表示气溶胶消光系数；β表示气溶胶后向散射系数；λ＝0.355,…,1.064μm；Bj(r)为三角基函数，KP(r,m)为核函数，rmax和rmin分别表示积分的上限和下限，r表示气溶胶粒子半径，m表示气溶胶复折射指数。可选的，所述根据所述核矩阵、所述光学数据以及所述正则参数，计算权系数，具体包括：根据以下公式计算权系数，所述公式为：其中，wj表示权系数；Hpj表示带宽矩阵元素；表示核矩阵元素的转置；γ为正则参数，正则参数的初始值为10-3；gp表示光学数据的种类以及波长。可选的，所述根据所述光学数据、所述核矩阵、所述权系数，计算评估误差，具体包括：根据所述光学数据、所述核矩阵、所述权系数，计算剩余误差Δy；根据所述剩余误差Δy，计算评估误差t；所述评估误差t的计算公式为t＝sort(|Δy|)。可选的，所述确定评估集合，具体包括：确定边界值上限Un(θ)；所述边界值上限Un(θ)为确定边界值下限Ln(θ)；所述边界值下限Ln(θ)为其中F(θ)＝2φ((θ/σn))-1，φ(x)表示高斯分布的累积分布函数，θ表示噪声尺度，表示方差为的零均值高斯白噪声；根据所述边界值上限Un(θ)和所述边界值下限Ln(θ)，确定评估集合。可选的，所述若所述第一判断结果表示所述评估误差不在所述评估集合内，则调整所述正则参数，返回计算权系数步骤，具体包括：若所述第一判断结果表示所述评估误差大于所述边界值上限Un(θ)，则增大所述正则参数，并返回计算权系数步骤；若所述第一判断结果表示所述评估误差小于所述边界值下限Ln(θ)，则减小所述正则参数，并返回计算权系数步骤。本专利技术还提供了一种多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演系统，所述多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演系统包括：光学数据和正则参数获取模块，用于获取光学数据和正则参数；所述光学数据包括气溶胶消光系数和气溶胶后向散射系数；核矩阵确定模块，用于确定核矩阵；权系数计算模块，用于根据所述核矩阵、所述光学数据以及所述正则参数，计算权系数；评估误差计算模块，用于根据所述光学数据、所述核矩阵、所述权系数，计算评估误差；评估集合确定模块，用于确定评估集合；第一判断结果得到模块，用于判断所述评估误差是否在所述评估集合内，得到第一判断结果；正则参数调整模块，用于当所述第一判断结果表示所述评估误差不在所述评估集合内时，调整所述正则参数，返回权系数计算模块；大气气溶胶粒子谱分布确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述评估误差在所述评估集合内时，根据所述权系数，反演确定大气气溶胶粒子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法，其特征在于，所述多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法包括：获取光学数据和正则参数；所述光学数据包括气溶胶消光系数和气溶胶后向散射系数；确定核矩阵；根据所述核矩阵、所述光学数据以及所述正则参数，计算权系数；根据所述光学数据、所述核矩阵、所述权系数，计算评估误差；确定评估集合；判断所述评估误差是否在所述评估集合内，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述评估误差不在所述评估集合内，则调整所述正则参数，返回计算权系数步骤；若所述第一判断结果表示所述评估误差在所述评估集合内，则根据所述权系数，反演确定大气气溶胶粒子谱分布。

【技术特征摘要】
1.一种多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法，其特征在于，所述多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法包括：获取光学数据和正则参数；所述光学数据包括气溶胶消光系数和气溶胶后向散射系数；确定核矩阵；根据所述核矩阵、所述光学数据以及所述正则参数，计算权系数；根据所述光学数据、所述核矩阵、所述权系数，计算评估误差；确定评估集合；判断所述评估误差是否在所述评估集合内，得到第一判断结果；若所述第一判断结果表示所述评估误差不在所述评估集合内，则调整所述正则参数，返回计算权系数步骤；若所述第一判断结果表示所述评估误差在所述评估集合内，则根据所述权系数，反演确定大气气溶胶粒子谱分布。2.根据权利要求1所述的多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法，其特征在于，所述获取光学数据，具体包括：获取多波长激光雷达数据；所述多波长激光雷达数据包括：355nm、532nm和1064nm波长的米-瑞丽散射信号，以及387nm和607nm波长的拉曼散射信号；采用弗纳尔德算法和拉曼激光雷达算法，对所述多波长激光雷达数据进行反演，计算气溶胶消光系数和气溶胶后向散射系数。3.根据权利要求1所述的多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法，其特征在于，所述确定核矩阵，具体包括：根据以下公式确定核矩阵；所述公式为：其中，APj(m)表示由相应的核函数KP(r,m)和基函数Bj(r)计算得到的核矩阵元素；j＝1,...,5，对应相应的基函数；p＝(i,λ)，表示数据种类以及波长，i＝α,β，α表示气溶胶消光系数；β表示气溶胶后向散射系数；λ＝0.355,…,1.064μm；Bj(r)为三角基函数，KP(r,m)为核函数，rmax和rmin分别表示积分的上限和下限，r表示气溶胶粒子半径，m表示气溶胶复折射指数。4.根据权利要求3所述的多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法，其特征在于，所述根据所述核矩阵、所述光学数据以及所述正则参数，计算权系数，具体包括：根据以下公式计算权系数，所述公式为：其中，wj表示权系数；Hpj表示带宽矩阵元素；表示核矩阵元素的转置；γ为正则参数，正则参数的初始值为10-3；gp表示光学数据的种类以及波长。5.根据权利要求1所述的多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法，其特征在于，所述根据所述光学数据、所述核矩阵、所述权系数，计算评估误差，具体包括：根据所述光学数据、所述核矩阵、所述权系数，计算剩余误差Δy；根据所述剩余误差Δy，计算评估误差t；所述评估误差t的计算公式为t＝sort(|Δy|)。6.根据权利要求1所述的多波长激光雷达气溶胶粒子谱分布反演方法，其特征在于，所述确定评估集合，具体包括：确定边界值上限Un(θ)；所述边界值上限Un(θ)为确定边界...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振兴，陆剑锋，
申请(专利权)人：泰州职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32