一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法技术

本发明专利技术公开一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法，包括步骤：输入光学特性参数，对光学特性参数进行归一化处理得到与气溶胶负载无关的光学特性参数量；建立气溶胶的微物理特性参量与多波长光学特性参数之间相关联的查找表；计算输入光学特性参数与查找表中各个个体在光学特性域的距离，并仅保留K个具有最小距离的个体作为可行解的范围；根据Monte Carlo随机采样理论，按照概率采样生成NMC个不同的搜索执行顺序，并依次求解得到NMC个备选解；平均NMC个备选解，得到气溶胶微物理特性参数的最终反演结果。与现有技术相比，本发明专利技术无需额外的输入辅助判断信息，且执行效率高，可以满足激光雷达海量数据自动化处理的应用需求。

A method for retrieving aerosol microphysical properties based on multi-wavelength lidar

【技术实现步骤摘要】
一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法
本专利技术涉及激光雷达大气探测反演技术，特别是一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法。
技术介绍
气溶胶-云相互作用是目前气候变化预测中最大的不确定性来源之一，其一方面是由于气溶胶-云相互作用本身是比较复杂的系统，另一方面是由于缺少气溶胶-云的有效监测数据。激光雷达因其较高的时间和空间分辨率，被广泛应用于大气气溶胶的探测研究。高光谱分辨率激光雷达和Raman激光雷达的应用，在理论上解决了普通Mie散射激光雷达探测气溶胶光学特性参数(后向散射系数和消光系数)时“一个方程两个未知数”的数学欠定问题，提高了气溶胶光学特性的探测精度。但是，气溶胶的后向散射系数和消光系数不仅与气溶胶数浓度相关，还与其类型、粒径大小等密切相关，这就使得采用气溶胶的后向散射系数和消光系数直接表征气溶胶浓度，去研究气溶胶-云的相互作用时会存在较大的不确定性。如果能够探测得到气溶胶的复折射率、有效粒径、数浓度等微物理特性参数，则能更加有效的表征气溶胶的本质属性，能够提高对气溶胶-云相互作用研究的认知，进而降低气候变化预测的不确定性。气溶胶的后向散射系数和消光系数是由其复折射率和粒径分布参数共同决定的，不同波段的后向散射系数和消光系数对同一气溶胶表现出不同的响应，也就是说多波长的后向散射系数和消光系数蕴含了气溶胶粒子的复折射率和粒径等微物理特性信息，这就为激光雷达探测气溶胶的微物理特性提供了必要的理论基础。目前已经开发了多种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性参数的算法，但是激光雷达探测反演气溶胶微物理特性参数依旧是比较有挑战性的工作。基于正则化、混合正则化的气溶胶微物理特性反演方法是目前比较常用的方法，在已知气溶胶复折射率和大致粒径分布范围的条件下，该方法可以较好的反演气溶胶的粒子谱分布等微物理特性。但是实际情况下，气溶胶的复折射率和粒径分布的先验知识较难获得，这就需要选择不同的复折射率和粒径分布范围组合反复求解，并比较得到的反演结果，最终选择合理的结果。这一过程不仅耗时，而且不够自动化，可能会受到数据分析专家的主观经验影响。基于最小化偏差的反演方法不仅受到查找表本身的影响较大，而且对噪声较为敏感。NASA的科学家E.Chemyakin等提出了一种基于排列、平均的气溶胶微物理特性反演方法，该方法可以自动化执行，且降低了对数据查找表本身取值的依赖，对数据噪声具有一定的抑制能力，但代价是该方法执行效率比较低，难以处理具有较多维光学特性输入的情况。
技术实现思路
针对现有多波长激光雷达反演气溶胶其微物理特性算法存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性参数的方法。该方法仅需要输入待反演个例的光学特性参数，无需额外的输入辅助信息，即可反演得到气溶胶的复折射率、有效粒径、数浓度、表面积浓度及体积浓度等微物理特性反演结果。该方法操作简单，运行效率高，可自动化执行，能够适用于海量激光雷达数据处理的要求。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法，包括步骤：S1：输入多波长激光雷达探测气溶胶后得到的光学特性参数，包括后向散射系数和消光系数，对所述光学特性参数进行归一化处理，得到与气溶胶负载无关的N个归一化光学特性参数；S2：建立一个气溶胶微物理特性参数与光学特性参数关联的查找表，存储有对应数浓度为1cm-3时的气溶胶个体的多波长后向散射系数、消光系数、归一化后的光学特性参数及对应的气溶胶复折射率、有效粒径、表面积浓度、体积浓度等微物理特性参数；S3：计算所述光学特性参数与查找表中各气溶胶个体#j在光学特性域的距离d#j，并仅保留K个具有最小距离的气溶胶个体作为可行解的范围；S4：根据MonteCarlo随机采样原理，按概率采样生成NMC个搜索执行顺序，在每个搜索执行顺序中，依次计算待反演个体与查找表中可行解的范围内气溶胶个体的距离，排除筛选后，取对于最后一个光学特性量有最小距离的气溶胶个体作为单次求解的备选解，共得到NMC个备选解；S5：计算各备选解对应的物理特性参数，其中数浓度、表面积浓度和体积浓度的公式如下：式中，和分别为第#p个备选解在查找表中对应数浓度为1cm-3时的表面积浓度和体积浓度；和分别为第#p个备选解的数浓度、表面积浓度和体积浓度，λi对应不同激光雷达探测波长，n和m分别为后向散射系数和消光系数的探测波长数量，β*和α*分别为输入个例对应的后向散射系数和消光系数，β#p和α#p分别为第#p个备选解在查找表中对应的后向散射系数和消光系数。平均NMC个备选解对应的物理特性参数，最终反演得到气溶胶微物理特性参数，包括气溶胶复折射率、有效粒径、数浓度、表面积浓度、体积浓度等。在步骤S1中，按下述方式对光学特性参数进行归一化处理得：Si,j＝α(λj)/β(λi)式中，α为消光系数，β为后向散射系数，i＝1,...,n,j＝1,...,m,λ为激光雷达的探测波长。所述步骤S3中，距离d#j的计算公式如下：d#j＝∑G∈Ω|(G*-G#j)/G*|式中，Ω为步骤S1中得到的N个光学特性参数集合，G*表示输入光学特性参数对应的归一化后的光学特性参数，G#j表示查找表中第#j个个体对应的归一化光学特性参数。所述的查找表中存储有气溶胶个体的多波长后向散射系数、消光系数及归一化后的光学特性参数。所述步骤S4中，MonteCarlo随机采样的次数NMC小于全排列且生成1～N的随机排列的采样方法可以不同。所述步骤S4中，所述的排除筛选为：按照距离由小到大排列，排除距离较大的(1-ω)部分[ω∈(0,1)]，依次缩小备选解的可行解空间，以便最终确定该次求解的备选解。系数ω的取值与输入光学特性参数β和α的个数、查找表的构成有关，可以根据仿真数据分析，选取使得气溶胶微物理特性反演误差最小的ω取值，再将其应用到实际的激光雷达数据处理。所述步骤S5中，每个备选解#p，直接在所述的查找表获得对应的气溶胶复折射率有效粒径求平均后得到最终的气溶胶复折射率和有效粒径。相较于现有技术，本专利技术的反演方法，实现起来十分简单，无需数据处理人员的经验判断作为额外输入，可以实现算法的自动化运行。另外，该方法通过K-近邻约束可以减小求解结果的方差，提高求解的准确度，通过MC采样可以提升算法的执行效率，这样就可以实现海量激光雷达数据的实时自动化处理分析的需求。附图说明图1是本专利技术实施例提供的一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性参数方法流程图。图2是本专利技术实施例提供的基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性参数方法的单个备选解求解流程图。图3是本专利技术实施例提供的一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性参数方法气溶胶有效粒径反演统计结果的示意图。具体实施方式下面结合实施例和附图来详细说明本专利技术，但本专利技术并不仅限于此。图1是本专利技术提出的气溶胶微物理特性反演算法的总体流程图，包括：步骤S1：假定输入的光学特性参数(后向散射系数β和消光系数α)来自三波长(采用Nd:YAG激光器作为激光光源，探测波长为355nm，532nm和1064nm)高光谱分辨率激光雷达/Raman激光雷达，即n＝m＝3。那么可以得到N＝15个归一化光学特性参数，分别为：B1＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法，其特征在于，包括步骤：S1：输入多波长激光雷达探测气溶胶后得到的光学特性参数，包括后向散射系数和消光系数，对所述光学特性参数进行归一化处理，得到与气溶胶负载无关的N个光学特性参数；S2：建立气溶胶微物理特性参数与光学特性参数关联的查找表；S3：计算所述光学特性参数与查找表中各气溶胶个体#j在光学特性域的距离d

【技术特征摘要】
1.一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法，其特征在于，包括步骤：S1：输入多波长激光雷达探测气溶胶后得到的光学特性参数，包括后向散射系数和消光系数，对所述光学特性参数进行归一化处理，得到与气溶胶负载无关的N个光学特性参数；S2：建立气溶胶微物理特性参数与光学特性参数关联的查找表；S3：计算所述光学特性参数与查找表中各气溶胶个体#j在光学特性域的距离d#j，并仅保留K个具有最小距离的气溶胶个体作为可行解的范围；S4：根据MonteCarlo随机采样原理，按概率采样生成NMC个搜索执行顺序，在每个搜索执行顺序中，依次计算待反演个体与查找表中可行解的范围内气溶胶个体的距离，排除筛选后，取对于最后一个光学特性量有最小距离的气溶胶个体作为单次求解的备选解，共得到NMC个备选解；S5：计算各备选解对应的物理特性参数，其中数浓度、表面积浓度和体积浓度的公式如下：式中，和分别为第#p个备选解在查找表中对应数浓度为1cm-3时的表面积浓度和体积浓度；和分别为第#p个备选解的数浓度、表面积浓度和体积浓度，λi对应不同激光雷达探测波长，n和m分别为后向散射系数和消光系数的探测波长数量，β*和α*分别为输入个例对应的后向散射系数和消光系数，β#p和α#p分别为第#p个备选解在查找表中对应的后向散射系数和消光系数；平均NMC个备选解对应的物理特性参数，最终反演得到气溶胶微物理特性参数。2.如权利要求1所述的基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法，其特征在于，在步骤S1中，按下述方式对光学特性参数进行归一化处理得：Si,j＝α(λj)/β(λi)式中，i＝1,...,n,j＝1,...,m，β为后向散射系数和α为消光系数，n和m分别为后向散射系数和消光系数的探测波长数量。3.如权利要求1所述的基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，张与鹏，柯举，张凯，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33