CN103048653B - 一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法，利用太阳辐射计测量并反演得到多个波长的整层大气气溶胶光学厚度。在假设大气气溶胶粒径谱分布满足荣格谱分布的情况下，内插得到对应激光雷达测量波长的整层气溶胶光学厚度。同时利用Fernald方法求解激光雷达沿同路径测量得到的回波数据，得到气溶胶消光系数的高度分布。在晴朗天气时，可以认为大气气溶胶集中在高度6km以下，将大气气溶胶消光系数高度分布对6km高度积分，得到的数值可以认为是整层大气气溶胶光学厚度。将两者进行比对，即可得到定标系数。

Description

一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法

技术领域

本发明属于激光雷达常数定标技术领域，涉及一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法。

背景技术

激光雷达作为主动遥感探测工具已经有数十年的历史，随着激光技术、信号探测和数据采集方面的技术发展迅速，激光雷达在对流层气溶胶的探测高度、垂直跨度、空间分辨率、时间上的连续监测、测量精度等方面都有非常好的效果。激光雷达系统常数是激光雷达的一个重要参数，它与激光雷达系统的许多参数有关。为了确保测量数据的准确性，需要对激光雷达系统常数进行定标。如果能够知道激光雷达系统常数参数，则可以利用激光雷达测量给出准确的大气气溶胶消光系数高度分布数据。

当前有四种实验方法可以用来确定微脉冲激光雷达常数。一、选择晴朗、稳定、能见度极好的天气条件，利用标准漫反射靶法进行定标；二、利用粒子计数器得到气溶胶粒子谱分布和滤膜采样得到虚折射指数来计算大气后向散射系数，消光系数和消光后向散射比来定标激光雷达常数。三、在大气分子散射起主要作用，气溶胶散射贡献极少的天气条件下，计算激光雷达常数。四、利用太阳辐射计与较大功率的激光雷达共同实验定标雷达常数。总体而言微脉冲激光雷达常数定标工作是一件繁琐或者比较困难的事情。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法，利用太阳辐射计和微脉冲激光雷达测量整层大气气溶胶光学厚度，将两者进行比对，得到定标系数，其操作简单，而且具有时间与空间上的一致性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法，包括以下步骤：

1)在晴朗无云天气，利用太阳辐射计沿太阳光路测量多个波长的太阳直射辐射，得到这些波长所对应的整层大气的气溶胶光学厚度τ；

当大气气溶胶粒谱分布符合荣格谱时，利用埃斯屈朗公式拟合给出大气浑浊度系数β和波长指数α；

τ＝βλ^-α        (1)

结合激光雷达发射波长λ_L，代入(1)式中，得到激光雷达发射波长对应的整层大气气溶胶光学厚度τ_L；

2)在太阳辐射计测量的同时，利用微脉冲激光雷达沿相同路径测量大气气溶胶消光系数高度分布；

将近地面至6km的大气气溶胶消光系数廓线沿高度积分得到6km以下的大气气溶胶光学厚度，作为激光雷达测量的整层大气气溶胶光学厚度；

3)步骤1)与步骤2)所测的整层大气气溶胶光学厚度相等，那么微脉冲激光雷达的系统常数的定标系数通过(2)式计算得到：

$k=\frac{{\mathrm{\τ}}_L}{{\∫}_0^{6000}{\mathrm{\σ}}_z\mathrm{dz}}---\left(2\right)$

其中：τ_L为太阳辐射计测量得到的激光雷达发射波长对应的整层大气气溶胶光学厚度；

σ_z为激光雷达测量得到的大气气溶胶消光系数高度分布廓线；

k为微脉冲激光雷达的系统常数的定标系数。

所述的太阳辐射计所检测的多个波长为λ₁、λ₂…λ_n，n>2。

所述的太阳辐射计所检测的多个波长为可见光到近红外波段；激光雷达发射波长为可见光波段。

所述微脉冲激光雷沿相同路径测量气溶胶后向Mie散射信号，利用Fernald方法将测量结果反演得到大气气溶胶消光系数的高度分布廓线。

所述利用太阳辐射计数据给出两个以上波长的大气气溶胶光学厚度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法，通过利用太阳辐射计和微脉冲激光雷达同时测量整层大气气溶胶光学厚度，保证了定标过程在时间与空间上的一致性；利用近地面至高度6km的大气气溶胶光学厚度，与太阳辐射计测量得到的整层大气气溶胶光学厚度比对，得到激光雷达的系统常数。

本发明提供的一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法，对激光雷达的输出能量要求较低，适用于微脉冲激光雷达。

本发明提供的一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法，其操作步骤简单，仪器设备为常用的廉价设备，是一种方便、快捷的系统常数定标方法。附图说明

图1为典型消光系数高度分布廓线示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

提供一种利用激光雷达结合太阳辐射计共同实现激光雷达系统常数定标的方法，该方法适用于微脉冲激光雷达系统。

所述的太阳辐射计为多波长太阳辐射计，该太阳辐射计可以同时测量多个波长通道的太阳辐照度。通过计算可以得到对应这几个波长的整层大气气溶胶光学厚度。在假设大气气溶胶粒径谱分布满足荣格谱分布的情况下，将测量结果内插可以得到对应激光雷达发射波长的整层大气气溶胶光学厚度。作为定标的标准传递设备，具体使用的太阳辐射计在使用前还需进行定标。

在测试时，利用太阳辐射计测量并反演得到多个波长的整层大气气溶胶光学厚度。在假设大气气溶胶粒径谱分布满足荣格谱分布的情况下，计算得到对应激光雷达发射波长的整层大气气溶胶光学厚度。利用Fernald方法求解激光雷达测量得到的回波数据，得到气溶胶消光系数的高度分布。由于大气气溶胶主要集中在高度6km以下，因此将大气气溶胶消光系数高度分布对6km高度积分，得到的数值可以作为微脉冲激光雷达测量的整层大气气溶胶光学厚度。将两者进行比对，得到定标系数。

具体的一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法，包括以下步骤：

1)利用太阳辐射计，计算得到对应激光雷达发射波长的整层大气气溶胶光学厚度：

在晴朗无云天气，利用太阳辐射计沿太阳光路测量可见到近红外波段λ₁、λ₂…λ_n多个波长(n>2)的太阳辐照度，然后可得到这些波长所对应的整层大气的气溶胶光学厚度τ；

当大气气溶胶粒谱分布符合荣格谱时，利用埃斯屈朗公式拟合给出大气浑浊度系数β和波长指数α。

τ＝βλ^-α      (1)

结合激光雷达发射波长λ_L，代入(1)式中，得到激光雷达发射波长对应的整层大气气溶胶光学厚度τ_L。

2)在太阳辐射计测量的同时，微脉冲激光雷达沿相同路径测量大气后向Mie散射信号，利用Fernald方法将测量结果反演得到大气气溶胶消光系数的高度分布廓线；

反演得到的典型消光系数高度分布廓线如图1所示。

在晴朗无云大气环境时，气溶胶主要集中在4km以下，6km以上的气溶胶消光系数可以忽略不计；将近地面至6km的大气气溶胶消光系数高度分布廓线沿高度积分得到6km以下的大气气溶胶光学厚度，作为激光雷达测量的整层大气气溶胶光学厚度。

3)步骤1)与步骤2)所测的整层大气气溶胶光学厚度相等，将两台设备同时测量得到的气溶胶光学厚度进行比对，那么微脉冲激光雷达的系统常数的定标系数通过(2)式计算得到：

$k=\frac{{\mathrm{\τ}}_L}{{\∫}_0^{6000}{\mathrm{\σ}}_z\mathrm{dz}}---\left(2\right)$

其中：τ_L为太阳辐射计测量得到的激光雷达发射波长对应的整层大气气溶胶光学厚度；

σ_z为激光雷达测量得到的大气气溶胶消光系数高度分布廓线；

k为微脉冲激光雷达的系统常数的定标系数。

这样通过利用太阳辐射计和微脉冲激光雷达同时测量整层大气气溶胶光学厚度，保证了定标过程在时间与空间上的一致性；利用近地面至高度6km的大气气溶胶光学厚度，与太阳辐射计测量得到的整层大气气溶胶光学厚度比对，得到激光雷达的系统常数的定标系数。

Claims (2)

1.一种微脉冲激光雷达的系统常数定标方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在晴朗无云天气，利用太阳辐射计沿太阳光路测量多个波长的太阳直射辐射，然后得到这些波长所对应的整层大气的气溶胶光学厚度τ；太阳辐射计所检测的多个波长为λ₁、λ₂…λ_n，n>2；太阳辐射计所检测的多个波长为可见光到近红外波段；利用太阳辐射计数据给出两个以上波长的大气气溶胶光学厚度；

当大气气溶胶粒谱分布符合荣格谱时，利用埃斯屈朗公式拟合给出大气浑浊度系数β和波长指数α；

τ＝βλ^-α    (1) 

结合激光雷达发射波长λ_L，代入(1)式中，得到激光雷达发射波长对应的整层大气气溶胶光学厚度τ_L；激光雷达发射波长为可见光波段；

2)在太阳辐射计测量的同时，利用微脉冲激光雷达沿相同路径测量大气气溶胶消光系数高度分布；

将近地面至6km的大气气溶胶消光系数廓线沿高度积分得到6km以下的大气气溶胶光学厚度，作为激光雷达测量的整层大气气溶胶光学厚度；

3)步骤1)与步骤2)所测的整层大气气溶胶光学厚度相等，那么微脉冲激光雷达的系统常数的定标系数通过(2)式计算得到：

其中：τ_L为太阳辐射计测量得到的激光雷达发射波长对应的整层大气气溶胶光学厚度；

σ_z为激光雷达测量得到的大气气溶胶消光系数高度分布廓线；

k为微脉冲激光雷达的系统常数的定标系数。

2.如权利要求1所述的微脉冲激光雷达的系统常数定标方法，其特征在于，微脉冲激光雷达沿相同路径测量气溶胶后向Mie散射信号，利用Fernald方法将测量结果反演得到大气气溶胶消光系数的高度分布廓线。