【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及大气激光雷达领域，尤其涉及一种瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法及系统。
技术介绍
1、基于瑞利激光雷达探测大气散射信号并反演得到大气环境参数的应用中，传统的反演方法借助大气模型中的参考点的密度，利用回波光子数廓线，计算得到大气相对密度廓线，依据相对密度廓线，结合流体静力平衡、理想气体定律，借助大气模型中观测范围顶部参考点处的大气温度，来实现对大气温度廓线的反演。顶部参考点的温度值往往有着很大的不确定度，这一不确定度会向下传播逐渐减小直到研究人员可以接受。因此，观测范围顶部10～15km的温度反演结果由于其仍有着较大的不确定度而被研究人员抛弃。传统反演方法的这一弊端无法通过提高回波信号信噪比得以避免。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法及系统，能够解决现有技术中观测范围顶部10～15km的温度反演结果不确定度较大的技术问题。
2、根据本专利技术的一方面，提供了一种瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，瑞利激光瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法包括：确定激光雷达系统中的发射光源参数、接收系统参数和探测系统参数，结合待测大气的瑞利散射特性，得到瑞利激光雷达方程；基于瑞利激光瑞利激光雷达方程，将瑞利激光瑞利激光雷达方程中的大气分子数密度项替换为参考压强和大气温度的表达式，建立回波信号和大气温度的正向模型；将大气温度廓线作为状态向量，回波光子数廓线作为测量向量，根据瑞利激光状态向量、瑞利激光测量向
3、进一步地，利用levenberg-marquardt最优化算法对瑞利激光成本函数进行迭代处理具体包括：给定初始的第一温度和第一成本函数；利用迭代函数计算第二温度，将瑞利激光第二温度代入成本函数方程计算第二成本函数；判断瑞利激光第二成本函数相对于瑞利激光第一成本函数是否减小，如果瑞利激光第二成本函数相对瑞利激光第一成本函数未减小，则将gamma因子乘以5，重复上述步骤，直至当前成本函数相对前一成本函数减小；若当前成本函数相对前一成本函数减小，判断当前成本函数是否收敛，若当前成本函数未收敛，则将gamma因子除以2并更新状态向量，重复上述步骤，直至当前成本函数收敛；若当前成本函数相对前一成本函数减小且当前成本函数收敛，则可获取大气温度廓线的最优估计解。
4、进一步地，瑞利激光瑞利激光雷达方程为其中，nr(z)为在海拔高度z处的回波光子数，λ为激光波长，p(λ)为激光波长λ下所对应的激光功率，δt为积分时间，h为普朗克常数，c为光速，σr(λ)为激光波长λ下的后向散射截面，n(z)为在海拔高度z处的大气分子数密度，δz为空间分辨率，a为望远镜的有效接收面积，z0为激光雷达所在高度，η(λ)为激光波长λ下的探测系统效率，t(z)为海拔高度z处的大气透过率，g(z)为海拔高度z处的重叠因子，nb为背景光子数；瑞利激光发射光源参数包括激光波长λ下所对应的激光功率p(λ)和激光波长λ，瑞利激光接收系统参数包括望远镜的有效接收面积a，瑞利激光探测系统参数包括激光波长λ下的探测系统效率η(λ)。
5、进一步地，瑞利激光正向模型为其中，c为激光雷达常数，p(z)为在海拔高度z处的大气压强，k为玻尔兹曼常数，ptop为顶部参考压强，r为理想气体常数，m(z')为海拔高度z'处的大气分子摩尔质量，g(z')为海拔高度z'处的重力加速度，t(z')为海拔高度z'处的大气温度，ztop为观测范围顶部的海拔高度。
6、进一步地，瑞利激光设定函数包括三角型函数或高斯型函数。
7、进一步地，瑞利激光成本函数为其中，s∈为测量误差协方差矩阵，xa为先验状态向量，sa为先验协方差矩阵，y为测量向量，x为状态向量，f(x,b)为正向模型。
8、进一步地，瑞利激光迭代函数为其中，xi为第i次迭代时的温度，xi+1为第i+1次迭代时的温度，γi为第i次迭代时的gamma因子，ki为第i次迭代时的雅可比矩阵，f(xi,b)为第i次迭代时的正向模型。
9、进一步地，当前成本函数收敛时，满足其中，n为状态向量x的元素个数。
10、根据本专利技术的又一方面，提供了一种瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演系统，瑞利激光瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演系统使用如上所述的瑞利激光的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法进行温度反演。
11、进一步地，瑞利激光瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演系统包括：瑞利激光雷达方程获取模块，瑞利激光瑞利激光雷达方程获取模块用于确定激光雷达系统中的发射光源参数、接收系统参数和探测系统参数，结合待测大气的瑞利散射特性，得到瑞利激光雷达方程；正向模型获取模块，瑞利激光正向模型获取模块用于基于瑞利激光瑞利激光雷达方程构建正向模型；最优估计的正向模型获取模块，瑞利激光最优估计的正向模型获取模块用于将大气温度廓线作为状态向量，回波光子数廓线作为测量向量，根据瑞利激光状态向量、瑞利激光测量向量以及瑞利激光正向模型构建实现最优估计的正向模型；测量协方差矩阵构建模块，瑞利激光测量协方差矩阵构建模块用于根据光电探测系统探测散射光信号的泊松统计特性，将回波光子计数作为测量协方差，构建测量向量的测量协方差矩阵；先验状态协方差矩阵确定模块，瑞利激光先验状态协方差矩阵确定模块用于选择大气模型的温度廓线数据作为先验状态温度廓线，利用设定函数，结合相应大气模型温度廓线的不确定度来确定先验状态协方差矩阵；成本函数获取模块，瑞利激光成本函数获取模块用于基于瑞利激光测量协方差矩阵、瑞利激光先验状态温度廓线、瑞利激光先验状态协方差矩阵以及瑞利激光实现最优估计的正向模型，根据贝叶斯定理计算获取成本函数；大气温度廓线获取模块，瑞利激光大气温度廓线获取模块用于利用levenberg-marquardt最优化算法对瑞利激光成本函数迭代处理，得到设定观测范围的大气温度廓线，完成瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演。
12、应用本专利技术的技术方案，提供了一种瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，该方法利用贝叶斯定理，将瑞利激光雷达探测到的回波光子数廓线作为测量向量，瑞利激光雷达方程作为正向模型，大气温度廓线作为状态向量，进行最优估计反演，在贝叶斯定理中，需要假设各物理量服从高斯分布，结合各量的不确定度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，所述瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法包括：
2.根据权利要求1所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，利用Levenberg-Marquardt最优化算法对所述成本函数进行迭代处理具体包括：
3.根据权利要求1或2所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，所述瑞利激光雷达方程为其中，NR(z)为在海拔高度z处的回波光子数，λ为激光波长，P(λ)为激光波长λ下所对应的激光功率，Δt为积分时间，h为普朗克常数，c为光速，σR(λ)为激光波长λ下的后向散射截面，n(z)为在海拔高度z处的大气分子数密度，Δz为空间分辨率，A为望远镜的有效接收面积，z0为激光雷达所在高度，η(λ)为激光波长λ下的探测系统效率，T(z)为海拔高度z处的大气透过率，G(z)为海拔高度z处的重叠因子，NB为背景光子数；所述发射光源参数包括激光波长λ下所对应的激光功率P(λ)和激光波长λ，所述接收系统参数包括望远镜的有效接收面积A，所述探测系统参数包括激光波长λ下的探测系统效
4.根据权利要求3所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，所述正向模型为其中，C为激光雷达常数，P(z)为在海拔高度z处的大气压强，k为玻尔兹曼常数，Ptop为顶部参考压强，R为理想气体常数，M(z')为海拔高度z'处的大气分子摩尔质量，g(z')为海拔高度z'处的重力加速度，T(z')为海拔高度z'处的大气温度，ztop为观测范围顶部的海拔高度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，所述设定函数包括三角型函数或高斯型函数。
6.根据权利要求5所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，所述成本函数为其中，S∈为测量误差协方差矩阵，xa为先验状态向量，Sa为先验协方差矩阵，y为测量向量，x为状态向量，F(x,b)为正向模型。
7.根据权利要求6所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，所述迭代函数为其中，xi为第i次迭代时的温度，xi+1为第i+1次迭代时的温度，γi为第i次迭代时的Gamma因子，Ki为第i次迭代时的雅可比矩阵，F(xi,b)为第i次迭代时的正向模型。
8.根据权利要求7所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，当前成本函数收敛时，满足其中，n为状态向量x的元素个数。
9.一种瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演系统，其特征在于，所述瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演系统使用如权利要求1至8中所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法进行温度反演。
10.根据权利要求9所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演系统，其特征在于，所述瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演系统包括：
...【技术特征摘要】
1.一种瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，所述瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法包括：
2.根据权利要求1所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，利用levenberg-marquardt最优化算法对所述成本函数进行迭代处理具体包括：
3.根据权利要求1或2所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，所述瑞利激光雷达方程为其中，nr(z)为在海拔高度z处的回波光子数，λ为激光波长，p(λ)为激光波长λ下所对应的激光功率，δt为积分时间，h为普朗克常数，c为光速，σr(λ)为激光波长λ下的后向散射截面，n(z)为在海拔高度z处的大气分子数密度，δz为空间分辨率，a为望远镜的有效接收面积，z0为激光雷达所在高度，η(λ)为激光波长λ下的探测系统效率，t(z)为海拔高度z处的大气透过率，g(z)为海拔高度z处的重叠因子，nb为背景光子数；所述发射光源参数包括激光波长λ下所对应的激光功率p(λ)和激光波长λ，所述接收系统参数包括望远镜的有效接收面积a，所述探测系统参数包括激光波长λ下的探测系统效率η(λ)。
4.根据权利要求3所述的瑞利激光雷达探测大气环境参数的温度反演方法，其特征在于，所述正向模型为其中，c为激光雷达常数，p(z)为在海拔高度z处的大气压强，k为玻尔兹曼常数，ptop为顶部参考压强，r为理想气体常数，m(z')为海拔高度z'处的大气分子摩尔质量，...
【专利技术属性】
技术研发人员：庄剑，全栋梁，崔飞，杨冠雨，杨晓君，张媛文，
申请(专利权)人：中国航天科工飞航技术研究院中国航天海鹰机电技术研究院，
类型：发明
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