CN103293117A - 一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法，包括水汽探测波长选择、水汽吸收波长与非吸收波长吸收截面计算与修正、水汽浓度反演与标定。利用微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，获得特定谱线上水汽吸收特征的后向散射信号，经计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演和标定，得到高时间分辨率、高空间分辨率和高精度的水汽立体分布数据。

Description

一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法

技术领域

本发明涉及一种光学遥测接收装置的数据反演方法，具体是涉及微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测的反演方法，实现对大气中水汽时空分布自动连续监测。

背景技术

大气里中水汽并不多，最多时也只占大气的百分之四，水汽仅占全球总水量的0.001%，水汽是大气中浓度变化最大的一种气体。水汽在环境、气象、气候和军事领域扮演了一个十分重要的角色。水汽绝大部分集中在低层，有一半的水汽集中在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，在天气预报和气候研究中都有重要价值，水汽含量是也人工影响天气的研究的重要参数。水汽在辐射传输中是一个非常重要的参量，从近红外到远红外区域存在多个较强的吸收带，但水汽随着时间和空间变化很大，往往与标准大气模式存在很大的差异，从而带来计算误差，精确测量水汽的浓度可以获得高精度的大气辐射传输计算参数，在提高光电探测仪器的测量精度以及确认武器装备有效作用距离等方面有着重要意义。大气中水汽对太阳辐射的吸收直接影响到卫星观测到的信号,在航天、航空遥感器辐射定标和大气校正时就需要大气中精确的水汽量。

水汽Raman激光雷达是利用激光雷达技术测量水汽廓线的传统方法，水汽Raman信号要比米散射信号弱3个数量级，因此在白天水汽Raman激光雷达一般很难正常工作。为了使水汽Raman激光雷达在白天进行水汽测量，需要提供激光雷达探测能量和望远镜的探测口径，通常情况下，要求紫外激光器为光源单脉冲大于200mj，探测望远镜口径600mm以上，这种水汽Raman激光雷达探测系统的价格非常昂贵，稳定性差，维护成本高。另外，近年来出现使用皮秒量级线宽的激光器作为水汽差分吸收激光雷达的光源，对水汽吸收峰的谱线进行探测，由于水汽吸收谱线非常窄，探测波长容易受外因影响产生漂移和展宽，导致水汽浓度探测精度差；激光器中心波长漂移不利于水汽探测，激光雷达水汽探测标定难。此外，以上两种激光雷达的探测望远镜口径都比较大，系统探测盲区比较大，对反演数据标定比较困难。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测方法，以解决传统激光雷达在水汽探测中，白天无法水汽浓度探测能力差，水汽吸收谱线太窄和激光器中心波长漂移导致探测精度较差，激光雷达对水汽探测时难以标定的问题。

为解决上述问题，提出一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测方法，主要利用微脉冲激光雷达技术，选择波长分别位于水汽吸收峰和非吸收峰的探测光源，建立微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布探测装置，准确获得包含有水汽吸收谱线和非吸收谱线特征的激光雷达信号；测量水汽吸收峰和非吸收峰探测激光光源的激光线宽，计算水汽在两探测波长线宽内的吸收截面；根据水汽差分吸收激光雷达方程反演水汽浓度时空分布；根据米散射激光雷达方程反演气溶胶的消光系数和其他光学参数，对水汽浓度进行修正；利用自动温湿度记录仪湿度数据对与反演结果标定，实现对大气水汽浓度全天候连续测量反演。所述方法具体步骤为：

（1）准确测量水汽吸收峰探测波长λ₁的精确线宽Δλ_on和中心波长λ_on，以及水汽非吸收峰探测波长λ₂的精确线宽Δλ_off和中心波长λ_off。

所述水汽吸收峰探测波长λ₁具有宽线宽特征，中心波长λ_on位于890-980nm之间的某个水汽吸收峰上，线宽Δλ_on大于2.5nm，能够覆盖水汽的多个吸收谱线；所述水汽非吸收峰探测波长λ₂线宽Δλ_off不限，可以为宽线宽或窄线宽的激光，中心波长λ_off位于860-890nm或者980-1070nm范围内的水汽非吸收峰上；

（2）利用大气分子光谱数据库HITRAN2008，即HITRAN Database提取水汽谱线线强，由于探测波长的线宽Δλ_on和Δλ_off会随工作环境和探测高度不同而变化，需要进行修正。利用谱线卷积方法对HITRAN Database提取水汽谱线线强进行温度修正和谱线展宽修正，计算获取与测量同等条件，每个谱线不同高度的标准吸收截面：

${\mathrm{\δ}}_i(v,r)=S_i\left(T\right)\⊗F_{\mathrm{iL}}\left(v\right)\⊗F_{\mathrm{iG}}\left(v\right)---\left(1\right)$

其中，i表示HITRAN Database提取不同波长的水汽谱线线强序列，T为绝对温度，ν为波数，S_i(T)为温度和压力修正的线强函数，F_iL(ν)为洛仑兹展宽修正函数，F_iG(ν)多普勒展宽修正函数；δ_i(ν,r)为标准吸收截面，其随高度不同而变化；

（3）利用逐线积分方法，分别将步骤（1）测得水汽吸收峰探测波长线宽Δλ_on和水汽非吸收峰探测波长线宽Δλ_off谱线范围内的，经步骤（2）修正后获取的标准吸收截面δ_i(ν,r)进行逐线积分，分别获得不同高度水汽吸收峰探测光吸收截面δ(λ_on,r)和非吸收峰探测光的吸收截面δ(λ_on,r)

$\mathrm{\δ}(v,r)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left[{\mathrm{\δ}}_i(v,r)\right]---\left(2\right)$

（4）由所述步骤（3）中的不同高度水汽吸收峰探测光吸收截面δ(λ_on,r)和非吸收峰探测光的吸收截面δ(λ_off,r)的计算结果，计算不同高度处的水汽差分吸收差分截面Δδ(r)：Δδ(r)＝δ(λ_on,r)-δ(λ_off,r)；

（5）列出米散射激光雷达方程，气溶胶在水汽吸收峰和非吸收峰探测波长处对应的米散射激光雷达方程为：

$P\left(r\right)=P_t\mathrm{kC}\left(r\right)r^{-2}\mathrm{\β}\left(r\right)\exp \{-2{\∫}_0^r\mathrm{\α}\left(r^{,}\right)d{r}^{,}\}$

P(r)是激光雷达接收到距离r处的后向散射信号功率（W），P_t是激光发射功率（W），k为激光雷达系统常数W·km³·S_w)，C（r）激光雷达几何校正因子，距离r是时间的函数，β(r)是距离r处的总后向散射系数(km^-1·S_m ^-1)，其中β（r)＝β_α（r)+β_m(r)，β_α(r)和β_m(r)分别是大气气溶胶和大气分子在距离r处的后向散射系数，α(r)是距离r处的总消光系数(km^-1),α(r)＝α_α（r)+α_m(r)，α_α(r)和α_m(r)分别表示处大气气溶胶和大气分子的在距离r处的消光系数；

（6）对激光雷达过渡区数据进行几何因子校正，使得激光雷达探测盲区小于40m；对激光雷达方程进行距离修正，方程两边同时乘以地面到被测气溶胶粒子群高度的平方r²：

$P\left(r\right)r^2=\mathrm{kC}\left(r\right)P_t[{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\α}}\left(r\right)+{\mathrm{\β}}_m\left(r\right)]\exp \{-2{\∫}_0^r[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\α}}\left(r^{,}\right)+{\mathrm{\α}}_m\left(r^{,}\right)\left]{\mathrm{dr}}^{,}\right\}$

（7）确定标定高度r_c、大气分子消光系数α_m(r)、气溶胶消光系数标定值α_a(r_c)、大气分子消光后向散射比S_m、大气溶胶消光后向散射比S_α；根据Fernald提出激光雷达求解方法，建立求解水汽吸收峰探测波长对应中心波长λ_on和水汽非吸收峰探测波长对应中心波长λ_off的气溶胶消光系数和后想散射系数的方法；

所述标定高度r_c通过选取几乎不含大气气溶胶粒子的清洁大气层所在的高度来确定，即P(r)r²/β_m的最小值对应的高度r选择为r_c；

所述大气溶胶消光后向散射比S_α，依赖于探测激光波长、大气气溶胶粒子的尺度谱分布和折射指数，数值范围在0到90之间；

S_a＝α_a(r)/β_a(r)                 （3）

所述大气分子消光后向散射比S_m由大气分子瑞利散射理论计算得到：

S_m＝α_m(r)/β_m(r)＝8π/3             （4）

所述大气分子消光系数α_m(r)和大气分子后向散射系数β_m(r)，通过公式获得：

${\mathrm{\β}}_m\left(r\right)=1.54\×{10}^{-3}\exp (-\frac{r}{7}){\left(\frac{532}{\mathrm{\λ}}\right)}^4$

（5）

${\mathrm{\α}}_m\left(r\right)={\mathrm{\β}}_m\left(r\right)\×\frac{8}{3}\mathrm{\π}$

所述气溶胶消光系数边界值α_a(r_c)，先由大气气溶胶散射比获得标定高度r_c处的气溶胶后向散射系数边界值β_α(r_c)，根据公式（3）计算气溶胶消光系数边界值α_a(r_c)，大气气溶胶散射比关系式为：

1+β_α(r_c)/β_m(r_c)＝1.08           （6）

根据Fernald提出激光雷达求解方法，所述大气气溶胶粒子消光系数，由标定高度r_c处以下的大气气溶胶粒子后向积分消光系数方程反演获取，大气气溶胶粒子后向积分消光系数方程：

${\mathrm{\α}}_a\left(r\right)=-\frac{S_a}{S_m}\·{\mathrm{\α}}_m\left(r\right)+\frac{P\left(r\right)r^2\·\exp \left[2(\frac{S_a}{S_m}-1){\∫}_r^{r_c}{\mathrm{\α}}_m\left(r^{\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′}\right]}{\frac{P\left(r_c\right)r^2}{{\mathrm{\α}}_a\left(r_c\right)+\frac{S_a}{S_m}{\mathrm{\α}}_m\left(r_c\right)}+2{\∫}_r^{r_c}P\left(r^{\′}\right)r^{\′2}\exp \left[2(\frac{S_a}{S_m}-1){\∫}_r^{r_c}{\mathrm{\α}}_m\left(r^{\′\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′\′}\right]{\mathrm{dr}}^{\′}}$

（7）

所述大气气溶胶粒子后向散射系数根据所述公式（3）大气溶胶消光后向散射比的定义进行反演计算；

（8）根据所述步骤（7）中所述大气气溶胶粒子消光系数反演方法，反演获得水汽吸收峰探测波长中心波长λ_on处的气溶胶消光系数α_α(λ_on,r)和水汽非吸收峰探测波长对应中心波长λ_off的气溶胶消光系数α_α(λ_off,r)，再根据所述步骤（7）大气溶胶消光后比的定义分别获取水汽吸收峰和非吸收峰探测波长对用中心波长处的气溶胶后向散射系数β_α(λ_on,r)和β_α(λ_off,r)；

（9）列出水汽差分吸收激光雷达方程：

$n\left(r\right)=\left(\frac{-1}{2\mathrm{\Δ\δ}\left(r\right)}\right)\frac{d}{\mathrm{dr}}\ln \frac{\text{P}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},r)}{P({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}},r)}-\frac{1}{2\mathrm{\Δ\δ}\left(r\right)}\ln \frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\α}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},r)}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\α}}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off},r}\right)}-\frac{1}{\mathrm{\Δ\δ}\left(r\right)}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\α}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},r)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\α}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}},r)]---\left(8\right)$

其中P(λ_on,r)和P(λ_off,r)分别为所述为水汽吸收峰探测波长和水汽非吸收峰探测波长的探测光在高度r处的大气回波强度，由微脉冲激光雷达实际测量获得；α_α(λ_on,r)、α_α(λ_off,r)、β_α(λ_on,r)和β_α(λ_off,r)分别为所述探测波波长的气溶胶消光系数和后向散射系数；

（10）根据步骤（9）中公式（8），由所述步骤（4）中计算不同高度处的水汽差分吸收差分截面Δδ(r)计算结果和所述步骤（7）对α_α(λ_on,r)、α_α(λ_off,r)、β_α(λ_on,r)和β_α(λ_off,r)的反演结果，对微脉冲激光雷达实测数据进行数据反演计算获得水汽浓度廓线；

（11）根据所述步骤（6）微脉冲激光雷达探测盲区小于40m，可假设微脉冲激光雷达自动温湿度记录仪所在高度与微脉冲激光雷达有效数据高度间的水汽均匀，利用激光雷达自动温湿度记录仪测量的水汽浓度值对所述步骤（10）反演得到水汽浓度廓线中进行比对和标定，实现对水汽时空分布的反演和标定。

所述探测光源使用两个不同微脉冲激光器，利用微脉冲激光雷达技术对水汽进行差分吸收探测，探测盲区小于40m，以改变传统激光雷达对水汽盲区过大，无法获取地面层水汽浓度问题；

所述的一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法，利用自动温湿度记录仪对地面层水汽进行准确测量，用地面层水汽值标定激光雷达反演获得水汽浓度廓线以提高激光雷达水汽测量的精度，以改变传统激光雷达水汽测量时，无法使用地面层水汽测量仪器对水汽进行标定的问题，此标定方法便于自动和在线进行。

所述水汽差分吸收差分截面是与高度和实际测量条件相关的变量，而非传统反演方法中的定值，可以消除温度和压强等因素对数据反演引入的误差。

本发明与现有技术相比的有益效果：

（1）本发明中对水汽谱线线强进行实时修正的，用于反演计算的每个谱线随观测时温湿压变化实时修正，有利于减小每次探测时，工作环境中温湿压变化，导致探测光中心波长漂移和谱线展宽产生的误差。

（2）本发明中对水汽差分吸收激光雷达方程中的关键变量水汽差分吸收差分截面Δδ(r)是随高度不同而变化不同参数，水汽差分吸收差分截面值修正参数与水汽分子群高度的实际大气条件相关，而非传统反演方法中的定值，解决了单个测量廓线中，因高度不同大气对探测光线宽展开效应不同，而引入较大测量误差的问题。

（3）本发明中水汽吸收截面是由一段光谱范围内水汽不同单个吸收线强进行逐线积分获得的，这段光谱范围内包含有大量水汽的吸收峰；而传统激光雷达水汽中仅选择使用水汽分子的单个吸收峰，由于水汽分子单个吸收峰线宽仅为几个皮米，非常窄，这样对探测光线宽也需要非常窄，且稳定性要非常高，这样苛刻的要求非常难于满足，实际测量中对探测光源的小小扰动，或环境因素些许变化，都会对探测结果造成极大影响。而本发明中，首次提出使用宽线宽激光器对水汽进行测量，大大降低了对水汽差分吸收光源的要求，极大减少水汽浓度立体测量的成本，同时也极大降低因水汽吸收谱线太窄造成的误差。

（4）本发明中对激光雷达信号是一段时间内信号的积分，微脉冲激光雷达单个测量周期的脉冲数一般约50-100万，而传统水汽测量激光雷达的脉冲数一般1000-5000个，激光脉冲工作周期内中心波长漂移和谱线加宽机制有统计分布特征，数据反演时对雷达信号进行统计计算，进一步减小探测光在工作周期内因中心波长漂移和谱线加宽现象引入计算误差。

（5）本发明中由于微脉冲激光雷达探测盲区小，盲区小于40m，传统水汽探测激光雷达盲区在500m-2000m之间，甚至大于2000m，这样水汽激光雷达无法实现对近地面层水汽测量，更无法使用地面的湿度计测量设备进行标定；而本发明中，使用微脉冲激光雷达探测水汽，盲区比较小，易于实现对近地面层水汽的“无盲区”探测，此外，对于单个水汽廓线而言，反演获取的不同高度的水汽浓度相对值是正确，其绝对值可以使用水汽的地面测量值进行标定，解决了激光雷达遥测数据标定困难的问题；这也是激光雷达遥测技术在城市环境污染研究应用需要解决的问题。

（6）本发明中使用了差分吸收的方法对水汽探测，用于差分反演的回波信号均为米散射信号，而非传统的拉曼散射信号，因此在白天时能正常工作，减少因天气等因素造成的探测误差，实现了对水汽时空分布昼夜监测。

附图说明

图1为一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法流程图；

图2为大气消光系数廓线示意图；

图3为水汽垂直分布廓线示意图；

图4为垂直测量时水汽时空分布示意图。

具体实施方式

根据本发明中提出的一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测方法，以某次实验数据为例进行分析。首先利用微脉冲激光雷达技术，选择波长分别位于水汽吸收峰和非吸收峰的探测光源，建立微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布探测装置，准确获得包含有水汽吸收谱线和非吸收谱线特征的激光雷达信号；测量水汽吸收峰和非吸收峰探测激光光源的激光线宽，计算水汽在两探测波长线宽内的吸收截面；根据水汽差分吸收激光雷达方程反演水汽浓度时空分布；根据米散射激光雷达方程反演气溶胶的消光系数和其他光学参数，对水汽浓度进行修正；利用自动温湿度记录仪湿度数据对与反演结果标定，实现对大气水汽浓度全天候连续测量反演。

如图1所示，水汽吸收峰探测波长λ₁和非吸收峰探测波长λ₂分别选择946nm和1064nm波段为例，本波段发明方法具体步骤为：

（1）准确测量水汽吸收峰探测波长λ₁的精确线宽Δλ_on和中心波长λ_on，以及水汽非吸收峰探测波长λ₂的精确线宽Δλ_off和中心波长λ_off。

所述水汽吸收峰探测波长λ₁具有宽线宽特征，中心波长λ_on位于890-980nm之间的某个水汽吸收峰上，线宽Δλ_on大于2.5nm，能够覆盖水汽的多个吸收谱线；所述水汽非吸收峰探测波长λ₂线宽Δλ_off不限，可以为宽线宽或窄线宽的激光，中心波长λ_off位于860-890nm或者980-1070nm范围内的水汽非吸收峰上；

表1 HITRAN数据库中水汽谱线参数数据表

（2）利用大气分子光谱数据库HITRAN2008，即HITRAN Database提取水汽谱线线强，如表1所示，获得不同波长的线强和其他参数。由于探测波长的线宽Δλ_on和Δλ_off会随工作环境和探测高度不同而变化，需要进行修正。利用谱线卷积方法对HITRAN Database提取水汽谱线线强进行温度修正和谱线展宽修正，计算获取与测量同等条件，每个谱线不同高度的标准吸收截面：

${\mathrm{\δ}}_i(v,r)=S_i\left(T\right)\⊗F_{\mathrm{iL}}\left(v\right)\⊗F_{\mathrm{iG}}\left(v\right)---\left(1\right)$

其中，i表示HITRAN Database提取不同波长的水汽谱线线强序列，T为绝对温度，ν为波数，S_i(T)为温度和压力修正的线强函数，F_iL(ν)为洛仑兹展宽修正函数，F_iG(ν)多普勒展宽修正函数；δ_i(ν,r)为标准吸收截面，其随高度不同而变化；

（3）利用逐线积分方法，分别将步骤（1）测得水汽吸收峰探测波长线宽Δλ_on和水汽非吸收峰探测波长线宽Δλ_off谱线范围内的，经步骤（2）修正后获取的标准吸收截面δ_i(ν,r)进行逐线积分，分别获得不同高度水汽吸收峰探测光吸收截面δ(λ_on,r)和非吸收峰探测光的吸收截面δ(λ_on,r)

$\mathrm{\δ}(v,r)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left[{\mathrm{\δ}}_i(v,r)\right]---\left(2\right)$

（4）由所述步骤（3）中的不同高度水汽吸收峰探测光吸收截面δ(λ_on,r)和非吸收峰探测光的吸收截面δ(λ_off,r)的计算结果，计算不同高度处的水汽差分吸收差分截面Δδ(r)：Δδ(r)＝δ(λ_on,r)-δ(λ_off,r)

（5）列出米散射激光雷达方程，气溶胶在水汽吸收峰和非吸收峰探测波长处对应的米散射激光雷达方程为：

$P\left(r\right)=P_t\mathrm{kC}\left(r\right)r^{-2}\mathrm{\β}\left(r\right)\exp \{-2{\∫}_0^r\mathrm{\α}\left(r^{,}\right)d{r}^{,}\}$

P(r)是激光雷达接收到距离r处的后向散射信号功率（W），P_t是激光发射功率（W），k为激光雷达系统常数（w·km³·S_y），C（r）激光雷达几何校正因子，距离r是时间的函数，β(r)是距离r处的总后向散射系数(km^-1·S_r ^-1)，其中β(r)＝β_α(r)+β_m(r)，β_α(r)和β_m(r)分别是大气气溶胶和大气分子在距离r处的后向散射系数，α(r)是距离r处的总消光系数(km^-1)，α(r)=α_α(r)+α_m(r)，α_α(r)和α_m(r)分别表示处大气气溶胶和大气分子的在距离r处的消光系数；

（6）对激光雷达过渡区数据进行几何因子校正，使得激光雷达探测盲区小于40m；对激光雷达方程进行距离修正，方程两边同时乘以地面到被测气溶胶粒子群高度的平方r²：

$P\left(r\right)r^2=\mathrm{kC}\left(r\right)P_t[{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\α}}\left(r\right)+{\mathrm{\β}}_m\left(r\right)]\exp \{-2{\∫}_0^r[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\α}}\left(r^{,}\right)+{\mathrm{\α}}_m\left(r^{,}\right)\left]{\mathrm{dr}}^{,}\right\}$

（7）确定标定高度r_c、大气分子消光系数α_m(r)、气溶胶消光系数标定值α_a(r_c)、大气分子消光后向散射比S_m、大气溶胶消光后向散射比S_α；根据Fernald提出激光雷达求解方法，建立求解水汽吸收峰探测波长对应中心波长λ_on和水汽非吸收峰探测波长对应中心波长λ_off的气溶胶消光系数和后想散射系数的方法；

所述标定高度r_c通过选取几乎不含大气气溶胶粒子的清洁大气层所在的高度来确定，即P(r)r²/β_m的最小值对应的高度r选择为r_c；

所述大气溶胶消光后向散射比S_α，依赖于探测激光波长、大气气溶胶粒子的尺度谱分布和折射指数，数值范围在0到90之间；

S_a＝α_a(r)/β_a(r)                （3）

所述大气分子消光后向散射比S_m由大气分子瑞利散射理论计算得到：

S_m＝α_m(r)/β_m(r)＝8π/3             （4）

所述大气分子消光系数α_m(r)和大气分子后向散射系数β_m(r)，通过公式获得：

${\mathrm{\β}}_m\left(r\right)=1.54\×{10}^{-3}\exp (-\frac{r}{7}){\left(\frac{532}{\mathrm{\λ}}\right)}^4$

（5）

${\mathrm{\α}}_m\left(r\right)={\mathrm{\β}}_m\left(r\right)\×\frac{8}{3}\mathrm{\π}$

所述气溶胶消光系数边界值α_a(r_c)，先由大气气溶胶散射比获得标定高度r_c处的气溶胶后向散射系数边界值β_α(r_c)，根据公式（3）计算气溶胶消光系数边界值α_a(r_c)，大气气溶胶散射比关系式为：

1+β_α(r_c)/β_m(r_c)＝1.08               （6）

根据Fernald提出激光雷达求解方法，所述大气气溶胶粒子消光系数，由标定高度r_c处以下的大气气溶胶粒子后向积分消光系数方程反演获取，大气气溶胶粒子后向积分消光系数方程：

${\mathrm{\α}}_a\left(r\right)=-\frac{S_a}{S_m}\·{\mathrm{\α}}_m\left(r\right)+\frac{P\left(r\right)r^2\·\exp \left[2(\frac{S_a}{S_m}-1){\∫}_r^{r_c}{\mathrm{\α}}_m\left(r^{\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′}\right]}{\frac{P\left(r_c\right)r^2}{{\mathrm{\α}}_a\left(r_c\right)+\frac{S_a}{S_m}{\mathrm{\α}}_m\left(r_c\right)}+2{\∫}_r^{r_c}P\left(r^{\′}\right)r^{\′2}\exp \left[2(\frac{S_a}{S_m}-1){\∫}_r^{r_c}{\mathrm{\α}}_m\left(r^{\′\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′\′}\right]{\mathrm{dr}}^{\′}}$

（7）

所述大气气溶胶粒子后向散射系数根据所述公式（3）大气溶胶消光后向散射比的定义进行反演计算；

（8）根据所述步骤（7）中所述大气气溶胶粒子消光系数反演方法，反演获得水汽吸收峰探测波长中心波长λ_on处的气溶胶消光系数α_α(λ_on,r)和水汽非吸收峰探测波长对应中心波长λ_off的气溶胶消光系数α_α(λ_off,r)，如图2所示，虚线表示λ_on波长的气溶胶消光系数廓线，实线表示λ_off波长的消光系数廓线；再根据所述步骤（7）大气溶胶消光后比的定义分别获取水汽吸收峰和非吸收峰探测波长对用中心波长处的气溶胶后向散射系数β_α(λ_on,r)和β_α(λ_off,r)；

（9）列出水汽差分吸收激光雷达方程：

$n\left(r\right)=\left(\frac{-1}{2\mathrm{\Δ\δ}\left(r\right)}\right)\frac{d}{\mathrm{dr}}\ln \frac{\text{P}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},r)}{P({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}},r)}-\frac{1}{2\mathrm{\Δ\δ}\left(r\right)}\ln \frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\α}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},r)}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\α}}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off},r}\right)}-\frac{1}{\mathrm{\Δ\δ}\left(r\right)}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\α}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},r)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\α}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}},r)]---\left(8\right)$

其中P(λ_on,r)和P(λ_off,r)分别为所述为水汽吸收峰探测波长和水汽非吸收峰探测波长的探测光在高度r处的大气回波强度，由微脉冲激光雷达实际测量获得；α_α(λ_on,r)、α_α(λ_off,r)、β_α(λ_on,r)和β_α(λ_off,r)分别为所述探测波波长的气溶胶消光系数和后向散射系数；

（10）根据步骤（9）中公式（8），由所述步骤（4）中计算不同高度处的水汽差分吸收差分截面Δδ(r)计算结果和所述步骤（7）对α_α(λ_on,r)、α_α(λ_off,r)、β_α(λ_on,r)和β_α(λ_off,r)的反演结果，对微脉冲激光雷达实测数据进行数据反演计算获得水汽浓度廓线；如图3所示，X轴为水汽浓度，用水汽混合比表示，单位g/km，Y轴表示高度，单位km，图中水汽廓线显示水汽在35m-6000m高度范围内水汽分布情况，水汽主要分布在2km以下的空间内，最大值在1830m处。

（11）根据所述步骤（6）微脉冲激光雷达探测盲区小于40m，可假设微脉冲激光雷达自动温湿度记录仪所在高度与微脉冲激光雷达有效数据高度间的水汽均匀，利用激光雷达自动温湿度记录仪测量的水汽浓度值对所述步骤（10）反演得到水汽浓度廓线中进行比对和标定，实现对水汽时空分布的反演和标定，如图4所示，图4是水汽时空变化的伪彩图，其中X轴为时间轴，表示不同时间水汽浓度，Y轴表示高度，单位km，Z轴为浓度，用颜色表示，不同的颜色代表不同的浓度大小，单位为g/km，图中显示了2012年11月16日，00：00-24：00时水汽浓度测量结果，在00-11：00左右，近地面层水汽浓度较大，主要分布在2500m以下空间内11：00至22：00时，地面层水汽浓度含量相对较小，22：00后水汽浓度开始升高。

本发明提出的、一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法，是利用成熟的MPL激光雷达技术和差分吸收的方法，能够实现以高时间和空间分辨率，高测量精度对水汽时空分布进行探测；该方法不受气象条件影响，实现水汽浓度昼夜全天候观测反演，同时实现观测气溶胶、云、水汽廓线、边界层等多参数反演。

探测光源使用两个不同微脉冲激光器，利用微脉冲激光雷达技术对水汽进行差分吸收探测，探测盲区小于40m，以改变传统激光雷达对水汽盲区过大，无法获取地面层水汽浓度问题；

利用自动温湿度记录仪对地面层水汽进行准确测量，用地面层水汽值标定激光雷达反演获得水汽浓度廓线以提高激光雷达水汽测量的精度，以改变传统激光雷达水汽测量时，无法使用地面层水汽测量仪器对水汽进行标定的问题，此标定方法便于自动和在线进行。

所述水汽差分吸收差分截面是与高度和实际测量条件相关的变量，而非传统反演方法中的定值，可以消除温度和压强等因素对数据反演引入的误差。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (4)

1.一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法，其特征在于：实现步骤如下：

（1）测量水汽吸收峰探测波长λ₁的线宽Δλ_on和中心波长λ_on，以及水汽非吸收峰探测波长λ₂的精确线宽Δλ_off和中心波长λ_off；

所述水汽吸收峰探测波长λ₁具有宽线宽特征，中心波长λ_on位于890-980nm之间的某个水汽吸收峰上，线宽Δλ_on大于2.5nm，能够覆盖水汽的多个吸收谱线；所述水汽非吸收峰探测波长λ₂线宽Δλ_off不限，为宽线宽或窄线宽的激光，中心波长λ_off位于860-890nm或者980-1070nm范围内的水汽非吸收峰上；

（2）利用大气分子光谱数据库HITRAN2008，即HITRAN Database提取水汽谱线线强，利用谱线卷积方法对HITRAN Database提取水汽谱线线强进行温度修正和谱线展宽修正，计算获取与测量同等条件，每个谱线不同高度的标准吸收截面：

${\mathrm{\δ}}_i(v,r)=S_i\left(T\right)\⊗F_{\mathrm{iL}}\left(v\right)\⊗F_{\mathrm{iG}}\left(v\right)---\left(1\right)$

其中，i表示HITRAN Database提取不同波长的水汽谱线线强序列，T为绝对温度，ν为波数，S_i(T)为温度和压力修正的线强函数，F_iL(ν)为洛仑兹展宽修正函数，F_iG(ν)多普勒展宽修正函数；δ_i(ν,r)为修正后获取的标准吸收截面，其随高度不同而变化；

（3）利用逐线积分方法，分别对所述步骤（1）测得水汽吸收峰探测波长线宽Δλ_on和水汽非吸收峰探测波长线宽Δλ_off谱线范围内，经步骤（2）修正后获取的标准吸收截面δ_i(ν,r)进行逐线积分，分别获得不同高度水汽吸收峰探测光吸收截面δ(λ_on,r)和非吸收峰探测光的吸收截面δ(λ_on,r)：

$\mathrm{\δ}(v,r)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left[{\mathrm{\δ}}_i(v,r)\right]---\left(2\right)$

（4）由所述步骤（3）计算获得的不同高度水汽吸收峰探测光吸收截面δ(λ_on,r)和非吸收峰探测光的吸收截面δ(λ_off,r)，计算不同高度处的水汽差分吸收差分截面Δδ(r)：

Δδ(r)＝δ(λ_on,r)-δ(λ_off,r)

（5）列出米散射激光雷达方程，气溶胶在水汽吸收峰和非吸收峰探测波长处对应的米散射激光雷达方程为：

$P\left(r\right)=P_t\mathrm{kC}\left(r\right)r^{-2}\mathrm{\β}\left(r\right)\exp \{-2{\∫}_0^r\mathrm{\α}\left(r^{,}\right)d{r}^{,}\}$

P(r)是激光雷达接收到距离r处的后向散射信号功率（W），P_t是激光发射功率（W），k为激光雷达系统常数(W·km³·S_r)，C（r）激光雷达几何校正因子，距离r是时间的函数，β(r)是距离r处的总后向散射系数(km^-1·Sr^-1)，其中β(r)-β_α(r)|β_m(r)，β_α(r)和β_m(r)分别是大气气溶胶和大气分子在距离r处的后向散射系数，α(r)是距离r处的总消光系数（km^-1），α(r)＝α_α(r)+α_m(r)，α_α(r)和α_m(r)分别表示处大气气溶胶和大气分子的在距离r处的消光系数；

（6）对激光雷达过渡区数据进行几何因子校正，使得激光雷达探测盲区小于40m；对激光雷达方程进行距离修正，方程两边同时乘以地面到被测气溶胶粒子群高度的平方r²：

$P\left(r\right)r^2=\mathrm{kC}\left(r\right)P_t[{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\α}}\left(r\right)+{\mathrm{\β}}_m\left(r\right)]\exp \{-2{\∫}_0^r[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\α}}\left(r^{,}\right)+{\mathrm{\α}}_m\left(r^{,}\right)\left]{\mathrm{dr}}^{,}\right\}$

（7）确定标定高度r_c、大气分子消光系数α_m(r)、气溶胶消光系数标定值α_a(r_c)、大气分子消光后向散射比S_m、大气溶胶消光后向散射比S_α；根据Fernald提出激光雷达求解方法，建立求解水汽吸收峰探测波长对应中心波长λ_on和水汽非吸收峰探测波长对应中心波长λ_off的气溶胶消光系数和后想散射系数的方法；

所述标定高度r_c通过选取几乎不含大气气溶胶粒子的清洁大气层所在的高度来确定，即P(r)r²/β_m的最小值对应的高度r选择为r_c；

所述大气溶胶消光后向散射比S_α，依赖于探测激光波长、大气气溶胶粒子的尺度谱分布和折射指数，数值范围在0到90之间；

S_a＝α_a(r)/β_a(r)              （3）

所述大气分子消光后向散射比S_m由大气分子瑞利散射理论计算得到：

S_m＝α_m(r)/β_m(r)＝8π/3             （4）

所述大气分子消光系数α_m(r)和大气分子后向散射系数β_m(r)，通过公式获得：

${\mathrm{\β}}_m\left(r\right)=1.54\×{10}^{-3}\exp (-\frac{r}{7}){\left(\frac{532}{\mathrm{\λ}}\right)}^4$

（5）

${\mathrm{\α}}_m\left(r\right)={\mathrm{\β}}_m\left(r\right)\×\frac{8}{3}\mathrm{\π}$

所述气溶胶消光系数边界值α_a(r_c)，先由大气气溶胶散射比获得标定高度r_c处的气溶胶后向散射系数边界值β_α(r_c)，根据公式（3）计算气溶胶消光系数边界值α_a(r_c)，大气气溶胶散射比关系式为：

1+β_α(r_c)/β_m(r_c)＝1.08               （6）

根据Fernald提出激光雷达求解方法，所述大气气溶胶粒子消光系数，由标定高度r_c处以下的大气气溶胶粒子后向积分消光系数方程反演获取，大气气溶胶粒子后向积分消光系数方程：

${\mathrm{\α}}_a\left(r\right)=-\frac{S_a}{S_m}\·{\mathrm{\α}}_m\left(r\right)+\frac{P\left(r\right)r^2\·\exp \left[2(\frac{S_a}{S_m}-1){\∫}_r^{r_c}{\mathrm{\α}}_m\left(r^{\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′}\right]}{\frac{P\left(r_c\right)r^2}{{\mathrm{\α}}_a\left(r_c\right)+\frac{S_a}{S_m}{\mathrm{\α}}_m\left(r_c\right)}+2{\∫}_r^{r_c}P\left(r^{\′}\right)r^{\′2}\exp \left[2(\frac{S_a}{S_m}-1){\∫}_r^{r_c}{\mathrm{\α}}_m\left(r^{\′\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′\′}\right]{\mathrm{dr}}^{\′}}$

所述大气气溶胶粒子后向散射系数根据所述公式（3）大气溶胶消光后向散射比的定义进行反演计算；

（8）根据所述步骤（7）中所述大气气溶胶粒子消光系数反演方法，反演获得水汽吸收峰探测波长中心波长λ_on处的气溶胶消光系数α_α(λ_on,r)和水汽非吸收峰探测波长对应中心波长λ_off的气溶胶消光系数α_α(λ_off,r)，再根据所述步骤（7）大气溶胶消光后比的定义分别获取水汽吸收峰和非吸收峰探测波长对用中心波长处的气溶胶后向散射系数β_α(λ_on,r)和β_α(λ_off,r)；

（9）列出水汽差分吸收激光雷达方程：

$n\left(r\right)=\left(\frac{-1}{2\mathrm{\Δ\δ}\left(r\right)}\right)\frac{d}{\mathrm{dr}}\ln \frac{\text{P}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},r)}{P({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}},r)}-\frac{1}{2\mathrm{\Δ\δ}\left(r\right)}\ln \frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\α}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},r)}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{\α}}\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off},r}\right)}-\frac{1}{\mathrm{\Δ\δ}\left(r\right)}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\α}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}},r)-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\α}}({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}},r)]---\left(8\right)$

其中P(λ_on,r)和P(λ_off,r)分别为所述为水汽吸收峰探测波长和水汽非吸收峰探测波长的探测光在高度r处的大气回波强度，由微脉冲激光雷达实际测量获得；α_α(λ_on,r)、α_α(λ_off,r)、β_α(λ_on,r)和β_α(λ_off,r)分别为所述探测波波长的气溶胶消光系数和后向散射系数；

（10）根据步骤（9）中公式（8），由所述步骤（4）中计算不同高度处的水汽差分吸收差分截面Δδ(r)计算结果和所述步骤（7）对α_α(λ_on,r)、α_α(λ_off,r)、β_α(λ_on,r)和β_α(λ_off,r)的反演结果，对微脉冲激光雷达实测数据进行数据反演计算获得水汽浓度廓线；

（11）根据所述步骤（6）微脉冲激光雷达探测盲区小于40m，可假设微脉冲激光雷达自动温湿度记录仪所在高度与微脉冲激光雷达有效数据高度间的水汽均匀，利用激光雷达自动温湿度记录仪测量的水汽浓度值对所述步骤（10）反演得到水汽浓度廓线中进行比对和标定，实现对水汽时空分布的反演和标定。

2.根据权利要求1所述的一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法，其特征在于：所述探测光源使用两个不同微脉冲激光器，利用微脉冲激光雷达技术对水汽进行差分吸收探测，探测盲区小于40m，以改变传统激光雷达对水汽盲区过大，无法获取地面层水汽浓度问题。

3.根据权利要求1所述的一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法，其特征在于：利用自动温湿度记录仪对地面层水汽进行准确测量，用地面层水汽测量值标定激光雷达反演获得水汽浓度廓线以提高激光雷达水汽反演精度，改变了传统激光雷达水汽测量中无法使用地面层水汽测量仪器对水汽进行标定的问题，所述标定方法易于实现水汽浓度自动和在线标定。

4.根据权利要求1所述的一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法，其特征在于：所述水汽差分吸收差分截面值随高度不同而变化不同，与水汽分子群高度的大气条件相关，而非传统反演方法中的定值，可以消除温度和压强等参数随高度变化对反演结果引入的误差。

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