CN103115872B - 一种多波长大气消光系数高度分布数据反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光雷达结合太阳辐射计来测量并反演得到多个激光波长消光系数高度分布数据的方法。用于将激光雷达测量得到的对应发射波长的数据反演到其他波长。本发明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。在假设大气粒径谱分布满足荣格谱分布的情况下，计算得到大气浑浊度系数与波长指数。利用大气浑浊度系数与波长指数将激光雷达测量得到的数据反演到其他波长。本发明合理利用了两台相对独立的测量设备，减少了建立双波长甚至多波长激光雷达的投入。

Description

一种多波长大气消光系数高度分布数据反演方法

技术领域

本发明涉及大气光学，具体是一种将对应激光雷达发射波长的消光系数高度分布数据反演至其他波长的方法。

背景技术

激光雷达自1962年问世以来，经过40多年的研究和发展，已得到了广泛的应用。它以激光为光源，通过探测激光与目标物相互作用而产生的辐射信号来遥感目标物。与普通微波雷达相比，激光雷达由于使用的是激光束，工作频率较微波高了许多，有很多优点，如分辨率高，可以获得极高的角度、距离和速度分辨率；低空探测性能好，抗有源干扰能力强；单色性好，方向性强；体积小，质量轻等，因此已经成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效手段，广泛地应用于环境监测、航天、通信、导航和定位等高新技术领域。特别是在大气环境监测、气象要素测量等方面显示了其独特的优势和突出的发展前景。

激光雷达是一种可以测量气溶胶消光系数高度分布的激光雷达，它通过测量大气后向米散射信号来反演得到大气气溶胶的消光系数。通常测量得到的气溶胶消光系数高度分布与激光发射波长相对应，无法反演得到其他波长的气溶胶消光系数高度分布。为了解决这个问题，一般采用的方法是建立一套双波长激光雷达，利用两个波长的激光同时探测大气，分别得到对应发射波长的两组消光系数分布，反演得到其他波长的消光系数。

发明内容

本发明提供一种利用激光雷达结合太阳辐射计来测量并反演得到多波长消光系数高度分布数据的方法。

本发明的原理：技术方案为使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。在假设大气粒径谱分布满足荣格谱分布的情况下，计算得到大气浑浊度系数与波长指数；微脉冲激光雷达测量对应发射激光波长的大气回波信号，利用Fernald方法将测量结果求解得到大气气溶胶消光系数的高度分布廓线；结合大气浑浊度系数与波长指数将激光雷达测量得到的数据反演到其他波长。

本发明采用如下技术方案：

一种多波长大气消光系数高度分布数据反演方法，利用激光雷达结合太阳辐射计来测量并反演得到多个激光波长消光系数高度分布数据，方法具体包括三个步骤：

(1)利用太阳辐射计数据，计算得到大气浑浊度系数与波长指数；

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辐照度，假设大气粒径谱分布满足荣格谱分布的情况下，计算得到大气浑浊度系数与波长指数。

(2)微脉冲激光雷达测量大气气溶胶消光系数高度分布廓线；

利用Fernald方法反演微脉冲激光雷达的回波数据，得到对应激光雷达发射波长的大气气溶胶消光系数的高度分布廓线。

(3)大气气溶胶消光系数高度分布的多波长反演。

利用测量得到的大气浑浊度系数与波长指数计算得到激光雷达发射波长及待测波长的大气气溶胶光学厚度。将其与激光雷达测量得到的对应激光雷达发射波长的大气气溶胶消光系数高度分布廓线带入下式，计算得到待测波长的大气气溶胶消光系数高度分布廓线。

$\frac{\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}=\frac{\mathrm{\τ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{\mathrm{\τ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}$

其中：σ(λ₁)为对应激光雷达发射波长的大气气溶胶消光系数；

σ(λ_i)为待测波长的大气气溶胶消光系数；

τ(λ₁)为对应激光雷达发射波长的大气气溶胶光学厚度；

τ(λ_i)为待测波长的大气气溶胶光学厚度；

所述的微脉冲气溶胶激光雷达的多波长消光系数高度分布数据的反演方法，步骤1中，太阳辐射计可以测量并计算得到两种以上波长的大气气溶胶光学厚度。在假设大气气溶胶粒径谱满足荣格谱分布的情况下，计算得到大气浑浊度系数β和波长指数α。

所述的微脉冲气溶胶激光雷达的多波长消光系数高度分布数据的反演方法，步骤2中，微脉冲激光雷达的测量时间与测量路径要与太阳辐射计保持一致。

作为微脉冲激光雷达的多波长消光系数高度分布数据的反演方法，本方法利用太阳辐射计结合微脉冲激光雷达联合测量得到多波长消光系数高度分布数据。有效的利用了两种相对独立的测量设备，避免为了测量多波长消光系数高度分布廓线而建立双波长甚至多波长激光雷达的重复投入。

附图说明

图1为实测及反演波长消光系数高度分布廓线；

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

利用激光雷达结合太阳辐射计来测量并反演得到多个激光波长消光系数高度分布数据，方法具体包括三个步骤：

(1)利用太阳辐射计数据，计算得到大气浑浊度系数与波长指数；

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辐照度，假设大气粒径谱分布满足荣格谱分布的情况下，计算得到大气浑浊度系数与波长指数。

太阳辐射计可以测量并计算得到两种以上波长的大气气溶胶光学厚度。在假设大气气溶胶粒径谱满足荣格谱分布的情况下，计算得到大气浑浊度系数β和波长指数α。

2)微脉冲激光雷达测量大气气溶胶消光系数高度分布廓线；

利用Fernald方法反演微脉冲激光雷达的回波数据，得到对应激光雷达发射波长的大气气溶胶消光系数的高度分布廓线。微脉冲激光雷达的测量时间与测量路径要与太阳辐射计保持一致。

(3)大气气溶胶消光系数高度分布的多波长反演。

利用测量得到的大气浑浊度系数与波长指数计算得到激光雷达发射波长及待测波长的大气气溶胶光学厚度。将其与激光雷达测量得到的对应激光雷达发射波长的大气气溶胶消光系数高度分布廓线带入下式，计算得到待测波长的大气气溶胶消光系数高度分布廓线。

$\frac{\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}=\frac{\mathrm{\τ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{\mathrm{\τ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}$

其中：σ(λ₁)为对应激光雷达发射波长的大气气溶胶消光系数；

σ(λ_i)为待测波长的大气气溶胶消光系数；

τ(λ₁)为对应激光雷达发射波长的大气气溶胶光学厚度；

τ(λ_i)为待测波长的大气气溶胶光学厚度；

基于米散射理论，对于气溶胶来说，设其粒子分布模型为n(r)，根据粒子尺度谱分布，可以计算群体粒子的消光系数。

$\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\λ}\right)={\∫}_{x1}^{x2}{Q}_{\mathrm{ex}}(a,m)\mathrm{\π}{r}^{2}n\left(r\right)\mathrm{dr}---\left(1\right)$

其中r为粒子半径，a为尺度参数，m为相对折射率，Qex为消光效率因子。

对于不同的激光，在相同的时间和环境下，其离子随高度分布分布情况是完全一样的。因此可以得到。

$A=\frac{{\∫}_{x1}^{x2}{Q}_{\mathrm{ex}}(a_i,m)\mathrm{\π}{r_i}^{2}n\left(r_i\right)d{r}_i}{{\∫}_{x1}^{x2}{Q}_{\mathrm{ex}}(a_1,m)\mathrm{\π}{r_1}^{2}n\left(r_1\right)d{r}_1}=\frac{{\∫}_{z1}^{z2}{\∫}_{x1}^{x2}{Q}_{\mathrm{ex}}(a_i,m)\mathrm{\π}{r_i}^{2}n\left(r_i\right)d{r}_i\mathrm{dz}}{{\∫}_{z1}^{z2}{\∫}_{x1}^{x2}{Q}_{\mathrm{ex}}(a_1,m)\mathrm{\π}{r_1}^{2}n\left(r_1\right)d{r}_1\mathrm{dz}}---\left(2\right)$

$A=\frac{\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{\mathrm{\σ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}=\frac{\mathrm{\τ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{\mathrm{\τ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}---\left(3\right)$

其中τ为气溶胶光学厚度；σ为消光系数；

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辐照度，计算得到对应这四个波长的整层大气气溶胶光学厚度。假设大气粒径谱分布为荣格谱，将上述四个波长的整层大气气溶胶光学厚度分别代入公式(4)并拟合，得到大气浑浊度系数β和波长指数α。

τ(λ)＝βτ^-α              (4)

其中τ为气溶胶光学厚度；λ为波长。

在太阳辐射计测量的同时，激光雷达测量大气回波信号。将测量结果利用Fernald方法求解得到对应激光雷达发射波长的气溶胶消光系数的高度分布数据σ(λ₁)。并利用公式(4)计算得到对应激光雷达发射波长的气溶胶光学厚度τ(λ₁)，与待测波长的光学厚度τ(λ_i)。将计算上述结果代入公式(3)可以得到待测波长的消光系数σ(λ_i)。

参考图1，图1为实测及反演波长消光系数高度分布廓线，实测532nm，反演得到515nm、1064nm。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多波长大气消光系数高度分布数据反演方法，其特征在于，利用激光雷达结合太阳辐射计来测量并反演得到多个激光波长消光系数高度分布数据，方法具体包括三个步骤： 

(1)利用太阳辐射计数据，计算得到大气浑浊度系数与波长指数： 

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辐照度，假设大气粒径谱分布满足荣格谱分布的情况下，计算得到大气浑浊度系数与波长指数； 

(2)微脉冲激光雷达测量大气气溶胶消光系数高度分布廓线： 

利用Fernald方法反演微脉冲激光雷达的回波数据，得到对应激光雷达发射波长的大气气溶胶消光系数的高度分布廓线； 

(3)大气气溶胶消光系数高度分布的多波长反演： 

利用测量得到的大气浑浊度系数与波长指数计算得到激光雷达发射波长及待测波长的大气气溶胶光学厚度，将其与激光雷达测量得到的对应激光雷达发射波长的大气气溶胶消光系数高度分布廓线带入下式，计算得到待测波长的大气气溶胶消光系数高度分布廓线， 

其中：σ(λ₁)为对应激光雷达发射波长的大气气溶胶消光系数； 

σ(λ_i)为待测波长的大气气溶胶消光系数； 

τ(λ₁)为对应激光雷达发射波长的大气气溶胶光学厚度； 

τ(λ_i)为待测波长的大气气溶胶光学厚度。

2.根据权利要求1所述的微脉冲气溶胶激光雷达的多波长消光系数高度分布数据的反演方法，其特征是步骤1中，太阳辐射计可以测量并计算得到两种以上波长的大气气溶胶光学厚度，在假设大气气溶胶粒径谱满足荣格谱分布的情况下，计算得到大气浑浊度系数β和波长指数α。 

3.根据权利要求1所述的微脉冲气溶胶激光雷达的多波长消光系数高度分布数据的反演方法，其特征是步骤2中，微脉冲激光雷达的测量时间与测量路径要与太阳辐射计保持一致。