CN105974433A - 基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法 - Google Patents

基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法。它先选定0.7～2km高度上的任一点为参考点，再将此高度内的后向散射系数的经验值按(10‑4～10‑1)km‑1sr‑1间的80～1200分之一为步长进行扫描取值，得到80～1200个假设值，之后，先将该80～1200个假设值逐一与侧向连续激光雷达测得的信号一起代入侧向散射激光雷达方程进行后向散射系数廓线的反演，得到80～1200组廓线数据，再将80～1200组廓线数据中地面0～30m高度上的后向散射系数与由其它设备在同地点同时获取的同高度上的后向散射系数逐一进行比较，由含有最接近其它设备获取的数值的一组后向散射系数廓线数据得出其为气溶胶后向散射系数廓线。它极易于商业化地广泛应用于对气溶胶的探测。

Description

基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测 方法
技术领域
本发明涉及一种后向散射系数廓线的探测方法，尤其是一种基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法。
背景技术
激光雷达是探测气溶胶后向散射系数的有力工具，主要有后向散射激光雷达和侧向散射激光雷达。目前，侧向散射激光雷达是国际上正在研究的一种新技术，它是将发射装置与接收装置分两处放置，接收装置通过探测激光束的侧向散射光来反演气溶胶的后向散射系数，避免了后向散射激光雷达中几何因子的影响，在近距离段测量精度很高，非常适合用来测量近地层的大气气溶胶空间分布，如中国发明专利CN 103344611B于2015年7月1日公告的本申请人的一种基于CCD成像技术的侧向激光雷达测量气溶胶参数的方法。该发明专利中记载的方法虽可反演出气溶胶后向散射系数的廓线，却也存在着不尽人意之处，首先，须事先使用后向散射激光雷达或探空气球来测得高度在0.7～5km处任一点的气溶胶后向散射系数值，尤为在雾霾天气中，后向散射激光雷达的探测范围有限，用其它方法获取0.7～2km高度上的气溶胶后向散射系数值也是困难的，因此，现有的需先已知参考点的后向散射系数值，然后再进行反演气溶胶后向散射系数廓线的方法难以实现；其次，连续激光器的输出功率需大于10W；这些都不同程度地制约了其探测近地面层气溶胶后向散射系数廓线的效能。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种仅需已知地面上的气溶胶后向散射系数值，探测成本低的基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法包括利用CCD成像技术获取激光在大气中的散射光信号，特别是主要组成步骤为：
步骤1，先选定0.7～2km高度上的任一点为参考点，再将此高度内的气溶胶后向散射系数的经验值按(10-4～10-1)km-1sr-1间的80～1200分之一为步长进行扫描取值，得到该参考点的气溶胶后向散射系数的80～1200个假设值；
步骤2，先将该参考点的气溶胶后向散射系数的80～1200个假设值逐一与由基于CCD成像技术的侧向连续激光雷达测得的信号一起代入侧向散射激光雷达方程进行气溶胶后向散射系数廓线的反演，得到80～1200组气溶胶后向散射系数廓线数据，再将得到的80～1200组气溶胶后向散射系数廓线数据中地面0～30m高度上的气溶胶后向散射系数与由其它设备在同地点同时获取的地面同一高度上的气溶胶后向散射系数逐一进行比较，由含有最接近其它设备在同地点同时获取的地面同一高度上的气溶胶后向散射系数值的80～1200组中的一组气溶胶后向散射系数廓线数据得出其为气溶胶后向散射系数廓线。
作为基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法的进一步改进：
优选地，参考点的高度为1～1.5km。
优选地，扫描取值的范围为(10-4～10-2)km-1sr-1。
优选地，扫描取值的步长为扫描取值范围的80～120分之一。
优选地，使用侧向散射激光雷达方程进行气溶胶后向散射系数廓线反演的过程为：
步骤a，先将CCD侧向连续激光雷达工作在大气较均匀时间段内的水平方向上，选定散射角为179～180度处为参考点的气溶胶比相函数值和大气分子比相函数值皆为1，再由其它设备测得参考点上的气溶胶后向散射系数值，并认定此值与水平方向上各散射角处的气溶胶后向散射系数值皆相等，之后，
步骤a.1，将参考点上的气溶胶后向散射系数值和气溶胶比相函数值与CCD相机各像素的偏角(θ)、角宽度(dθ)、CCD相机和连续激光雷达发射光束的垂直距离(D)一起代入侧向激光雷达方程式方程中的P(θ)为θ偏角方向上对应像素接收到的信号强度，P0为连续激光雷达发射光束的功率，K为接收系统的光学透过率，A为光学系统的有效面积，Tt、Tr分别为激光竖直方向和斜方向上的透过率，β(θ)为气溶胶侧向散射系数，其由β(θ)＝β1(θ)f1(θ)+β2(θ)f2(θ)构成，式中的β1(θ)为气溶胶后向散射系数、β2(θ)为大气分子后向散射系数、f1(θ)为气溶胶比相函数、f2(θ)为大气分子比相函数，按以下方法反演计算出参考点相邻点上的气溶胶比相函数值，
设参考点散射角为θc，气溶胶后向散射系数为β1(θc)，大气的光学厚度为τc，取常数则带衰减的侧向连续激光雷达信号β′(θ)定义为
理论上带衰减的侧向连续激光雷达信号的表达式为，
β′(θ)＝[β1(θ)f(θ)1+β2(θ)f2(θ)]exp-(Δτ+τc(1/cos(π-θ)-1/cos(π-θc))+Δτ/cos(π-θ))dθ
②，
式中的Δτ为散射角从θc到θ处的大气垂直光学厚度，从参考点开始，运用数值算法，拟合方程①式和②式，数值解出参考点相邻点上的气溶胶比相函数f1(θc+dθ)，
步骤a.2，将相邻点作为新的参考点，向散射角变小的方向选取新的相邻点，重复步骤a.1，数值解出新相邻点上的气溶胶比相函数f1(θc+dθ)，直至获得探测范围内所有选定散射角的气溶胶比相函数值，得到气溶胶比相函数f1(θ)的廓线；
步骤b，先将CCD侧向连续激光雷达工作在与水平面相垂直方向上，并认定由步骤a得到的水平方向上的气溶胶比相函数值与垂直方向上的相等，再选取探测高度上的同一处作为参考点，将相对应点的假设值作为该点上的气溶胶后向散射系数值，之后，
步骤b.1，将参考点上的气溶胶后向散射系数值和气溶胶比相函数值与CCD相机各像素的偏角(θ)、角宽度(dθ)、CCD相机和连续激光雷达发射光束的垂直距离(D)一起代入侧向激光雷达方程式按以下方法反演计算出参考点相邻点上的气溶胶后向散射系数值，
设参考点散射角为θc，气溶胶后向散射系数为β1(θc)，大气的光学厚度为τc，取常数则带衰减的侧向连续激光雷达信号β′(θ)定义为
理论上带衰减的侧向激光雷达信号的表达式为，
β′(θ)＝[β1(θ)f(θ)1+β2(θ)f2(θ)]exp-(Δτ+τc(1/cos(π-θ)-1/cos(π-θc))+Δτ/cos(π-θ))dθ
②，
式中的Δτ为散射角从θc到θ处的大气垂直光学厚度，从参考点开始，运用数值算法，拟合方程①式和②式，数值解出参考点相邻点上的气溶胶后向散射系数β1(θc+dθ)，
步骤b.2，将相邻点作为新的参考点，先后向高处和低处两个方向上选取新的相邻点，重复步骤b.1，数值解出新相邻点上的气溶胶后向散射系数β1(θc+dθ)，直至获得探测范围内所有选定高度上的气溶胶后向散射系数值，得到气溶胶后向散射系数的廓线。
优选地，其它设备为大气能见度仪，或工作于水平档的激光雷达。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，采用这样的方法后，由于仅需以地面上的气溶胶后向散射系数值为判断依据，而地面上的气溶胶后向散射系数又极易获得，且获取的设备也属常规的通用设备，从而既使近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测效能得到了极大的提升，又使探测的成本得到了降低。
其二，本方法所需的连续激光器的功率仅为0.1～1W，这不仅降低了激光器的制造成本，也大大地降低了探测时的使用成本。
其三，本方法尤其在雾霾天气条件下，其优势更加明显，而这也正是环境监测部分所需要的。进而使其极易于商业化地广泛应用于对气溶胶的探测。
附图说明
图1是实施本发明时的一种基本结构——CCD侧向连续激光雷达示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
参见图1，CCD侧向连续激光雷达主要由连续激光器和CCD相机组成，其中的CCD相机记录下连续激光发射光束在大气中的侧向散射激光。不同高度上的侧向散射光含有该高度上的气溶胶信息，不同高度上的侧向散射光强度被不同的CCD像素所记录。通过对CCD中像素点上信号强度的提取和反演，就可获得近地面不同高度上的气溶胶后向散射系数。
实施本发明时，连续激光器和CCD相机的参数及其相对位置分别为，连续激光器的输出波长为532nm、功率为0.1～1W；CCD相机的总张角θ的选择范围在2～100之间；CCD相机到激光束的距离D的选择范围在0.1～5m之间。
基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法如下：
步骤1，先选定1.2(可为0.7～2，优选为1～1.5)km高度上的一点为参考点。再将此高度内的气溶胶后向散射系数的经验值按(10-4～10-2)km-1sr-1(可为(10-4～10-1)km-1sr-1)间的100(可为80～1200，优选为80～120)分之一为步长进行扫描取值，得到该参考点的气溶胶后向散射系数的100个假设值。
步骤2，先将该参考点的气溶胶后向散射系数的100个假设值逐一与由基于CCD成像技术的侧向连续激光雷达测得的信号一起代入侧向散射激光雷达方程进行气溶胶后向散射系数廓线的反演，得到100组气溶胶后向散射系数廓线数据；其中，使用侧向散射激光雷达方程进行气溶胶后向散射系数廓线反演的过程为：
步骤a，先将CCD侧向连续激光雷达工作在大气较均匀时间段内的水平方向上，选定散射角为180(可为179～180)度处为参考点的气溶胶比相函数值和大气分子比相函数值皆为1，再由其它设备测得参考点上的气溶胶后向散射系数值，并认定此值与水平方向上各散射角处的气溶胶后向散射系数值皆相等；其中，其它设备为大气能见度仪(或工作于水平档的激光雷达)。之后，
步骤a.1，将参考点上的气溶胶后向散射系数值和气溶胶比相函数值与CCD相机各像素的偏角(θ)、角宽度(dθ)、CCD相机和连续激光雷达发射光束的垂直距离(D)一起代入侧向激光雷达方程式方程中的P(θ)为θ偏角方向上对应像素接收到的信号强度，P0为连续激光雷达发射光束的功率，K为接收系统的光学透过率，A为光学系统的有效面积，Tt、Tr分别为激光竖直方向和斜方向上的透过率，β(θ)为气溶胶侧向散射系数，其由β(θ)＝β1(θ)f1(θ)+β2(θ)f2(θ)构成，式中的β1(θ)为气溶胶后向散射系数、β2(θ)为大气分子后向散射系数、f1(θ)为气溶胶比相函数、f2(θ)为大气分子比相函数，按以下方法反演计算出参考点相邻点上的气溶胶比相函数值，
设参考点散射角为θc，气溶胶后向散射系数为β1(θc)，大气的光学厚度为τc，取常数则带衰减的侧向连续激光雷达信号β′(θ)定义为
理论上带衰减的侧向连续激光雷达信号的表达式为，
β′(θ)＝[β1(θ)f(θ)1+β2(θ)f2(θ)]exp-(Δτ+τc(1/cos(π-θ)-1/cos(π-θc))+Δτ/cos(π-θ))dθ
②，
式中的Δτ为散射角从θc到θ处的大气垂直光学厚度，从参考点开始，运用数值算法，拟合方程①式和②式，数值解出参考点相邻点上的气溶胶比相函数f1(θc+dθ)，
步骤a.2，将相邻点作为新的参考点，向散射角变小的方向选取新的相邻点，重复步骤a.1，数值解出新相邻点上的气溶胶比相函数f1(θc+dθ)，水平方向上各相邻点的个数选为3000(可为2000～4000)个，直至获得探测范围内所有选定散射角的气溶胶比相函数值，得到气溶胶比相函数f1(θ)的廓线；
步骤b，先将CCD侧向连续激光雷达工作在与水平面相垂直方向上，并认定由步骤a得到的水平方向上的气溶胶比相函数值与垂直方向上的相等，再选取探测高度上的同一处作为参考点，将相对应点的假设值作为该点上的气溶胶后向散射系数值。之后，
步骤b.1，将参考点上的气溶胶后向散射系数值和气溶胶比相函数值与CCD相机各像素的偏角(θ)、角宽度(dθ)、CCD相机和连续激光雷达发射光束的垂直距离(D)一起代入侧向激光雷达方程式按以下方法反演计算出参考点相邻点上的气溶胶后向散射系数值，
设参考点散射角为θc，气溶胶后向散射系数为β1(θc)，大气的光学厚度为τc，取常数则带衰减的侧向连续激光雷达信号β′(θ)定义为
理论上带衰减的侧向激光雷达信号的表达式为，
β′(θ)＝[β1(θ)f(θ)1+β2(θ)f2(θ)]exp-(Δτ+τc(1/cos(π-θ)-1/cos(π-θc))+Δτ/cos(π-θ))dθ
②，
式中的Δτ为散射角从θc到θ处的大气垂直光学厚度，从参考点开始，运用数值算法，拟合方程①式和②式，数值解出参考点相邻点上的气溶胶后向散射系数β1(θc+dθ)，
步骤b.2，将相邻点作为新的参考点，先后向高处和低处两个方向上选取新的相邻点，重复步骤b.1，数值解出新相邻点上的气溶胶后向散射系数β1(θc+dθ)，垂直方向上各相邻点的个数选为3000(可为2000～4000)个，直至获得探测范围内所有选定高度上的气溶胶后向散射系数值，得到气溶胶后向散射系数的廓线。
再将得到的100组气溶胶后向散射系数廓线数据中地面2(可为0～30)m高度上的气溶胶后向散射系数与由其它设备在同地点同时获取的地面同一高度上的气溶胶后向散射系数逐一进行比较，其中，其它设备为大气能见度仪(或工作于水平档的激光雷达)，由含有最接近其它设备在同地点同时获取的地面同一高度上的气溶胶后向散射系数值的100组中的一组气溶胶后向散射系数廓线数据得出其为气溶胶后向散射系数廓线。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法，包括利用CCD成像技术获取激光在大气中的散射光信号，其特征在于主要组成步骤为：
步骤1，先选定0.7～2km高度上的任一点为参考点，再将此高度内的气溶胶后向散射系数的经验值按(10-4～10-1)km-1sr-1间的80～1200分之一为步长进行扫描取值，得到该参考点的气溶胶后向散射系数的80～1200个假设值；
步骤2，先将该参考点的气溶胶后向散射系数的80～1200个假设值逐一与由基于CCD成像技术的侧向连续激光雷达测得的信号一起代入侧向散射激光雷达方程进行气溶胶后向散射系数廓线的反演，得到80～1200组气溶胶后向散射系数廓线数据，再将得到的80～1200组气溶胶后向散射系数廓线数据中地面0～30m高度上的气溶胶后向散射系数与由其它设备在同地点同时获取的地面同一高度上的气溶胶后向散射系数逐一进行比较，由含有最接近其它设备在同地点同时获取的地面同一高度上的气溶胶后向散射系数值的80～1200组中的一组气溶胶后向散射系数廓线数据得出其为气溶胶后向散射系数廓线。
2.根据权利要求1所述的基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法，其特征是参考点的高度为1～1.5km。
3.根据权利要求1所述的基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法，其特征是扫描取值的范围为(10-4～10-2)km-1sr-1。
4.根据权利要求1所述的基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法，其特征是扫描取值的步长为扫描取值范围的80～120分之一。
5.根据权利要求1所述的基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法，其特征是使用侧向散射激光雷达方程进行气溶胶后向散射系数廓线反演的过程为：
步骤a，先将CCD侧向连续激光雷达工作在大气较均匀时间段内的水平方向上，选定散射角为179～180度处为参考点的气溶胶比相函数值和大气分子比相函数值皆为1，再由其它设备测得参考点上的气溶胶后向散射系数值，并认定此值与水平方向上各散射角处的气溶胶后向散射系数值皆相等，之后，
步骤a.1，将参考点上的气溶胶后向散射系数值和气溶胶比相函数值与CCD相机各像素的偏角(θ)、角宽度(dθ)、CCD相机和连续激光雷达发射光束的垂直距离(D)一起代入侧向激光雷达方程式中，方程中的P(θ)为θ偏角方向上对应像素接收到的信号强度，P0为连续激光雷达发射光束的功率，K为接收系统的光学透过率，A为光学系统的有效面积，Tt、Tr分别为激光竖直方向和斜方向上的透过率，β(θ)为气溶胶侧向散射系数，其由β(θ)＝β1(θ)f1(θ)+β2(θ)f2(θ)构成，式中的β1(θ)为气溶胶后向散射系数、β2(θ)为大气分子后向散射系数、f1(θ)为气溶胶比相函数、f2(θ)为大气分子比相函数，按以下方法反演计算出参考点相邻点上的气溶胶比相函数值，
设参考点散射角为θc，气溶胶后向散射系数为β1(θc)，大气的光学厚度为τc，取常数则带衰减的侧向连续激光雷达信号β′(θ)定义为
理论上带衰减的侧向连续激光雷达信号的表达式为，
β′(θ)＝[β1(θ)f(θ)1+β2(θ)f2(θ)]exp-(Δτ+τc(1/cos(π-θ)-1/cos(π-θc))+Δτ/cos(π-θ))dθ
②，
式中的Δτ为散射角从θc到θ处的大气垂直光学厚度，从参考点开始，运用数值算法，拟合方程①式和②式，数值解出参考点相邻点上的气溶胶比相函数f1(θc+dθ)，
步骤a.2，将相邻点作为新的参考点，向散射角变小的方向选取新的相邻点，重复步骤a.1，数值解出新相邻点上的气溶胶比相函数f1(θc+dθ)，直至获得探测范围内所有选定散射角的气溶胶比相函数值，得到气溶胶比相函数f1(θ)的廓线；
步骤b，先将CCD侧向连续激光雷达工作在与水平面相垂直方向上，并认定由步骤a得到的水平方向上的气溶胶比相函数值与垂直方向上的相等，再选取探测高度上的同一处作为参考点，将相对应点的假设值作为该点上的气溶胶后向散射系数值，之后，
步骤b.1，将参考点上的气溶胶后向散射系数值和气溶胶比相函数值与CCD相机各像素的偏角(θ)、角宽度(dθ)、CCD相机和连续激光雷达发射光束的垂直距离(D)一起代入侧向激光雷达方程式中，按以下方法反演计算出参考点相邻点上的气溶胶后向散射系数值，
设参考点散射角为θc，气溶胶后向散射系数为β1(θc)，大气的光学厚度为τc，取常数则带衰减的侧向连续激光雷达信号β′(θ)定义为
理论上带衰减的侧向激光雷达信号的表达式为，
β′(θ)＝[β1(θ)f(θ)1+β2(θ)f2(θ)]exp-(Δτ+τc(1/cos(π-θ)-1/cos(π-θc))+Δτ/cos(π-θ))dθ
②，
式中的Δτ为散射角从θc到θ处的大气垂直光学厚度，从参考点开始，运用数值算法，拟合方程①式和②式，数值解出参考点相邻点上的气溶胶后向散射系数β1(θc+dθ)，
步骤b.2，将相邻点作为新的参考点，先后向高处和低处两个方向上选取新的相邻点，重复步骤b.1，数值解出新相邻点上的气溶胶后向散射系数β1(θc+dθ)，直至获得探测范围内所有选定高度上的气溶胶后向散射系数值，得到气溶胶后向散射系数的廓线。
6.根据权利要求1或5所述的基于连续激光的近地面层气溶胶后向散射系数廓线的探测方法，其特征是其它设备为大气能见度仪，或工作于水平档的激光雷达。
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