【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光雷达，具体涉及一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法。
技术介绍
1、大气混合边界层是指由于湍流混合作用使得温度、湿度和污染物等在垂直方向上均匀分布的一层大气，它对自由大气和地表间的物质和能量交换过程起着至关重要的作用。混合层高度通常反映了近地表输送和扩散过程的垂直范围，通常在几百米到几千米之间，取决于地形、天气条件和太阳辐射等因素。混合层高度的特性对天气预报、污染传输和航空安全等方面都有重要影响。基于垂直混合均匀的假设，可以利用气溶胶密度、位温和湿度等发生显著降低的高度来确定混合层高度。传统基于探空气球的探测方法时间分辨率低，难以获取混合层高度的精细变化特征。基于气溶胶激光雷达的探测方法利用气溶胶垂直分布廓线的特性确定混合层高度，但是在遇到有云或者存在残留气溶胶层的复杂边界层结构时就会被严重干扰。
2、相干测风激光雷达已被广泛用于大气风场的探测。基于其反演的垂直风速方差、湍流耗散率等大气运动参数，可以反映大气湍流的垂直分布，进一步利用阈值法可以确定混合层高度。但是垂直风速方差和湍流耗散率的计算容易受到大范围垂直运动、降水回波等的干扰，而且需要雷达以固定的模式工作。多普勒谱宽表示激光雷达探测空间内风速分布的色散程度，直接反映了湍流活动的强度。混合层内的湍流较强，导致回波信号的谱宽较宽；而在稳定层（即混合层上方的层结较稳定的区域），湍流强度较弱，回波信号的谱宽较窄。
技术实现思路
1、专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于相干激光雷达谱宽的混
2、技术方案：本专利技术所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，包括以下步骤：
3、（1）读取经过预处理的单个信号功率谱为，其中，f、k分别表示离散频率点和距离门，表示激光雷达探测仰角；
4、（2）计算每个距离门投影高度的信号谱宽；
5、（3）计算湍流展宽；
6、（4）计算给定预设时间窗口内计算湍流谱宽的均值和方差；
7、（5）分别根据湍流谱宽均值和方差廓线，识别混合层高度。
8、进一步的，步骤（2）具体如下：首先在给定带宽范围内，从功率谱中提取峰值，以及峰值所对应的频率，计算每个距离门k的谱宽，公式如下：
9、；
10、其中，为激光雷达探测波长，为预设信号积分范围，其设定依据典型信号的谱宽，通常提取典型信号谱宽的3倍，以减小随机噪声引起的积分误差；根据不同探测的仰角将探测距离信息投影到垂直高度上，得到不同高度上的谱宽，公式如下：
11、；
12、其中，，为距离门k所对应的探测目标与激光雷达之间的实际径向距离，h为径向距离在垂直方向上的投影高度。
13、进一步的，步骤（3）公式如下：
14、；
15、其中，表示发射激光脉冲的频谱宽度，表示拍频信号截断的窗函数频谱宽度；分别通过预设的发射脉冲时域宽度和信号截断的时间窗长度计算得到。
16、进一步的，步骤（4）具体如下：
17、对同一高度层，在设定时间窗口通过以下公式计算得到湍流谱宽均值和方差随高度h变化的廓线：
18、；
19、；
20、其中，表示预设时间窗口内的不同时刻，n表示时间窗口内的探测数据个数；预设时间窗口的长度取决于数据的时间分辨率和大气湍流运动的空间变化尺度。
21、进一步的，步骤（5）包括以下步骤：
22、（51）使用设定的阈值判断混合层的高度；通过设定谱宽方差的阈值，利用谱宽方差廓线识别混合层高度；谱宽均值和方差的阈值均可设为1m/s；
23、（52）使用梯度法识别混合层高度；利用湍流谱宽均值和方差廓线的梯度变化，寻找湍流谱宽均值和方差随着高度递减最快时所对应的拐点高度即梯度最大值点，确定为混合层高度。
24、本专利技术所述一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统，包括：
25、读取模块：读取经过预处理的单个信号功率谱为，其中，f、k分别表示离散频率点和距离门，表示激光雷达探测仰角；
26、信号谱宽模块：计算每个距离门投影高度的信号谱宽；
27、湍流展宽模块：计算湍流展宽；
28、均值和方差模块：计算给定预设时间窗口内计算湍流谱宽的均值和方差；
29、识别模块：分别根据湍流谱宽均值和方差廓线，识别混合层高度。
30、进一步的，信号谱宽模块中，具体如下：首先在给定带宽范围内，从功率谱中提取峰值，以及峰值所对应的频率，计算每个距离门k的谱宽，公式如下：
31、；
32、其中，为激光雷达探测波长，为预设信号积分范围，其设定依据典型信号的谱宽，通常提取典型信号谱宽的3倍，以减小随机噪声引起的积分误差；根据不同探测的仰角将探测距离信息投影到垂直高度上，得到不同高度上的谱宽，公式如下：
33、；
34、其中，，为距离门k所对应的探测目标与激光雷达之间的实际径向距离，h为径向距离在垂直方向上的投影高度。
35、进一步的，湍流展宽模块中，公式如下：
36、；
37、其中，表示发射激光脉冲的频谱宽度，表示拍频信号截断的窗函数频谱宽度；分别通过预设的发射脉冲时域宽度和信号截断的时间窗长度计算得到。
38、进一步的，均值和方差模块中，具体如下：
39、通过以下公式计算得到湍流谱宽均值和方差随高度h变化的廓线：
40、；
41、；
42、其中，表示预设时间窗口内的不同时刻，n表示时间窗口内的探测数据个数；预设时间窗口的长度取决于数据的时间分辨率和大气湍流运动的空间变化尺度。
43、进一步的，识别模块中，包括以下步骤：
44、（51）使用设定的阈值判断混合层的高度；通过设定谱宽方差的阈值，利用谱宽方差廓线识别混合层高度；谱宽均值和方差的阈值均可设为1m/s；
45、（52）使用梯度法识别混合层高度；利用湍流谱宽均值和方差廓线的梯度变化，寻找湍流谱宽均值和方差随着高度递减最快时所对应的拐点高度即梯度最大值点，确定为混合层高度。
46、有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：利用相干激光雷达功率谱谱宽表征大气湍流运动，进而确定混合层高度。该方法不受气溶胶分层影响，不受大范围垂直运动影响，不依赖于速度的计算，具有反演精度高的优点；不依赖于激光雷达仰角，不同仰角的探测结果均可同时用于计算和反演混合层高度，具有灵活度高、时空分辨率高的优点。
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1.一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，步骤（2）具体如下：首先在给定带宽范围内，从功率谱中提取峰值，以及峰值所对应的频率，计算每个距离门k的谱宽，公式如下：
3.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，步骤（3）公式如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，步骤（4）具体如下：
5.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，步骤（5）包括以下步骤：
6.一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统，其特征在于，信号谱宽模块中，具体如下：首先在给定带宽范围内，从功率谱中提取峰值，以及峰值所对应的频率，计算每个距离门k的谱宽，公式如下：
8.根据权利要求6所述的一种基于相干
9.根据权利要求6所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统，其特征在于，均值和方差模块中，具体如下：
10.根据权利要求6所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统，其特征在于，识别模块中，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，步骤（2）具体如下：首先在给定带宽范围内，从功率谱中提取峰值，以及峰值所对应的频率，计算每个距离门k的谱宽，公式如下：
3.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，步骤（3）公式如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，步骤（4）具体如下：
5.根据权利要求1所述的一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，其特征在于，步骤（5）包括以下步骤：
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【专利技术属性】
技术研发人员：魏天问，刘思涵，许可祎，屈昱成，胡海南，许悦群，汪梦雅，夏海云，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：
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