一种根据实时气溶胶分布求解激光雷达动态雷达比的方法技术

本发明专利技术公开了一种根据实时气溶胶分布求解激光雷达动态雷达比的方法，适用于晴空、少云的条件下。本发明专利技术包括以下步骤：1)气溶胶消光系数传感器测量得到地面实测气溶胶消光系数α

【技术实现步骤摘要】
一种根据实时气溶胶分布求解激光雷达动态雷达比的方法
本专利技术涉及一种求解雷达比的方法，具体涉及一种根据实时气溶胶分布求解激光雷达动态雷达比的方法。
技术介绍
激光雷达的原始方程为其中，r表示高度；P(r)表示激光雷达归一化后向散射信号；C表示雷达常数，E表示脉冲能量，在雷达稳定工作的情况下，这两个值被视为常数。值得注意的是，(1)式中包含两个未知变量，显然无法直接求解。Fernald在求解(1)时将大气看成大气分子与气溶胶两部分组成，即认为大气消光系数α是气溶胶消光系数αa与大气分子的消光系数αm之和(标注a、m分别代表气溶胶和大气分子，后同)；后向散射系数β也看成由气溶胶后向散射系数βa和大气分子后向散射系数βm两部分组成。则(1)式化为：通常假设消光系数与后向散射系数比值(雷达比)为常数，对于大气分子其消光αm(r)和后向散射系数βm(r)可以根据标准大气廓线计算得理论值，故有：对于气溶胶，有Sa＝αa/βa，其数值范围一般在10到100sr之间。据此Fernald给出了激光雷达方程的解析解：其中，参考位置rc取6km，并且有αa(rc)+αm(rc)＝1.05αm(rc)。由后向积分公式(3)可知，根据某一参考位置的气溶胶消光系数αa(rc)和该时刻的气溶胶消光-后向散射比Sa，即可反演出气溶胶消光系数的垂直廓线。另外推导过程中基本没有省略与近似处理，雷达比的选取是最直接的影响反演精度的因子。雷达比(其中β为大气后向散射系数，α为大气消光系数)是时间和空间的复杂函数，它不仅与气溶胶粒子的尺度谱分布有关，还和气溶胶的组成紧密相关，其数值范围一般在10到100sr之间。雷达比的精确性直接决定了气溶胶消光廓线的反演精度，在气溶胶分布变化较大的地区不精确的雷达比对反演结果的影响更大。在实际应用中，由于气溶胶或云雾粒子的光学特性非常复杂，准确的激光雷达比取决于它们的光学性质要实时获取气溶胶的属性参数进而计算动态雷达比并不容易，因此在实际应用中往往将雷达比取固定值参与雷达反演。但是，固定值的使用必然会给雷达反演带来误差。目前雷达比的计算方法，主要有两大类：独立测量法和联合反演法。独立测量分为多角度测量法、高光谱分辨率雷达法和拉曼雷达法，目前广泛使用拉曼雷达法。联合反演主要有利用卫星测得的光学厚度限制激光雷达测得的气溶胶消光系数的垂直积分法。尽管拉曼雷达和高光谱分辨率激光雷达能够实现不同高度气溶胶激光雷达比的有效探测，但二者分光系统复杂、回波信号微弱、探测距离短、信噪比低，这限制了二者的实际应用，而通过卫星数据限制激光雷达的联合法，因对单站激光雷达来说卫星数据空间分辨率过低，故两者数据不能完全对应从而会造成较大误差。
技术实现思路
为了解决现有反演方法存在的缺陷，进一步提高雷达比的反演精度，本专利技术在Fernald法的基础上，提出一种根据实时气溶胶分布求解激光雷达动态雷达比的方法，能够实现雷达比本地化，动态化的目的，用于提高激光雷达反演算法的精度，从而可以获得更精确的气溶胶消光系数的分布廓线。本专利技术提出的求解雷达比的方法适用于晴空，少云的条件下。本专利技术的方法包括以下步骤：(1)气溶胶消光系数传感器测量得到地面实测气溶胶消光系数αa(r0)(2)计算地面处雷达信号P(r0)；(3)给定适合本地的预估雷达比；(4)拟合地面及混合均匀处的消光系数；(5)反代入Fernald后向积分方程求解动态雷达比；(6)将反代算法进行迭代；(7)利用动态雷达比反演获得气溶胶消光系数的分布廓线。进一步地，所述激光雷达在地面r0处的信号P(r0)，由激光雷达在最低有效位置rm处的信号P(rm)和地面实测气溶胶消光系数αa(r0)求得：其中αm为大气分子的消光系数。进一步地，调整Fernald后向积分方程中Sa的值使得反演得到的气溶胶消光系数αa与地面实测气溶胶消光系数αa(r0)大小相近，此时Sa的值为适合本地的预估雷达比；由预估雷达比及步骤(2)得到的地面信号P(r0)根据Fernald后向积分方程拟合地面消光系数σa(r′0)，如下式所示：式中：r表示高度，P(r)表示激光雷达归一化后向散射信号，C表示雷达常数，E表示脉冲能量，在雷达稳定工作的情况下，这两个值被视为常数。αa为气溶胶消光系数；αm为大气分子的消光系数，Sa为雷达比；Sm为大气分子的雷达比；矫正系数H为：进一步地，激光雷达原始方程为：对上式两边求导，得：利用最小二乘法拟合ln(P(r))与高度r，并计算求得这段高度上所有点偏离拟合直线的残差平方和，残差平方和最小处为所求混合均匀的高度。根据步骤(3)给出的预估雷达比，反演得气溶胶消光廓线，从而根据所述气溶胶消光廓线的对应高度得到混合均匀处的消光系数σa(r′u)；σa(r′u)乘上相应的矫正系数H，即为所求混合均匀处的消光系数αa(ru)。进一步地，所述Fernald给出的激光雷达方程的解析解中共有3个未知量分别为：参考点处的消光系数、待求点处的消光系数和雷达比Sa；使用所述步骤(4)中得到的混合均匀处的消光系数αa(ru)作为参考点处消光；地面实测处消光系数αa(r0)作为待求点处消光系数。进一步地，使用步骤(2)中计算得到的地面处雷达信号P(r0)作为待求点的回波信号，与所述的混合均匀处的消光系数αa(rc)和地面处实测消光系数αa(r0)一同带入Fernald后向积分方程，用于反推出雷达比。进一步地，所述步骤(6)中将所述的算法进行迭代，选择进行两次迭代。进一步地，在反演气溶胶消光系数分布廓线时，取参考位置rc为6km，并且在此高度有：αa(rc)+αm(rc)＝1.05αm(rc)根据后向积分公式：由参考点位置处的气溶胶消光系数αa(rc)和反演得到的动态雷达比Sa，得到气溶胶消光系数的垂直廓线。本专利技术相比现有技术具有以下优点：本专利技术可以得到本地化的动态雷达比，即给定一组回波信号与气溶胶消光系数，就可以得到与之对应的雷达比，并且动态雷达比的反演精度远高于固定雷达比。本专利技术为分析激光雷达的探测数据提供了更实用和精确的方法，并且具有本地化的意义，这更加符合对数据分析的要求。附图说明图1为本专利技术的动态雷达比反演方法的流程图。图2为2017年7月7日15：10时的气溶胶消光系数的分垂直布廓线图。图3为不同动态雷达比Sa反演的气溶胶消光系数与实测值的相对误差图。图4为本专利技术的动态雷达比及固定雷达比(雷达比Sa＝30sr)的反演值与实测值的相对误差的概率分布图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术中的技术方案的具体实施进行清楚、完整地描述。(1)气溶胶消光系数传感器测量得到地面实测气溶胶消光系数αa(r0)，计算地面处雷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种根据实时气溶胶分布求解动态雷达比的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤(1)，气溶胶消光系数传感器测量得到地面实测气溶胶消光系数α

【技术特征摘要】
1.一种根据实时气溶胶分布求解动态雷达比的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，气溶胶消光系数传感器测量得到地面实测气溶胶消光系数αa(r0)；
步骤(2)，计算激光雷达在地面r0处信号P(r0)；
步骤(3)，给定适合本地的预估雷达比；
步骤(4)，拟合地面及混合均匀处的消光系数；
步骤(5)，反代入Fernald后向积分方程求解动态雷达比；
步骤(6)，将算法进行迭代；
步骤(7)，利用动态雷达比反演获得气溶胶消光系数的分布廓线。


2.根据权利要求1所述的求解动态雷达比的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
所述激光雷达在地面r0处的信号P(r0)，由激光雷达在最低有效位置rm处的信号P(rm)和地面实测气溶胶消光系数αa(r0)求得：



其中αm为大气分子的消光系数。


3.根据权利要求1所述的求解动态雷达比的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：
调整Fernald后向积分方程中Sa的值使得反演得到的气溶胶消光系数αa与地面实测气溶胶消光系数αa(r0)大小相同，此时Sa的值为适合本地的预估雷达比；
由预估雷达比及步骤(2)得到的地面信号P(r0)根据Fernald后向积分方程拟合地面消光系数σa(r′0)，如下式所示：



式中：r表示高度，P(r)表示激光雷达归一化后向散射信号，C表示雷达常数，E表示脉冲能量，在雷达稳定工作的情况下，这两个值被视为常数；αa为气溶胶消光系数；αm为大气分子的消光系数，Sa为雷达比；Sm为大气分子的雷达比；
矫正系数H为：


4.根据权利要求1所述的求解动态雷达比的方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：
激光雷达原始方程为：



对上式两边求导，得：



利...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴涧，张楚葳，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南;53