CN106707298A - 一种大气透过率的激光雷达反演方法 - Google Patents

一种大气透过率的激光雷达反演方法 Download PDF

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黄尧
李学斌
朱文越
孙凤莹
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Abstract

本发明公开了一种大气透过率的激光雷达反演方法，其反演方法如下：首先，激光雷达进行水平测量，通过水平斜率法得到激光雷达系统常数C；然后，激光雷达设置到测量方向上，通过Fernald方法计算路径上的大气后向散射系数 β和大气消光系数α分布；最后，在几何因子区和薄云z0（z0<z）以外进行（0‑ z）区间的大气透过率T0的反演。本发明的反演算法可以有效避免几何因子的影响和薄云的消光系数的反演误差，不需要进行几何因子区校正和薄云区的反演，提高了激光雷达测量大气透过率的可靠性。

Description

一种大气透过率的激光雷达反演方法
技术领域
本发明涉及一种大气透过率的激光雷达反演算法，属于大气探测和应用领域。
背景技术
大气透过率又称大气衰减。光波在大气中传播时,因受气溶胶和气体分子的散射和吸收而削弱的现象。光的强度按指数律衰减，对波长为λ的单色光有式中，I0λ为入射光强度，R为光传播距离。Iλ/I0λ称为大气透射比或大气透过率，表示通过距离为R的路径后，能透过的辐射量占入射辐射量的百分率。在大气中测量目标的辐射特性时，大气分子和气溶胶将对目标辐射产生吸收和散射作用,同时大气自身辐射也将叠加到目标辐射上。因此，为得到目标自身辐射信号，需要获得红外测量设备与目标之间的大气透过率。大气透过率测量一般可分为间接模式计算方法和实测方法。模式计算方法是通过MODTRAN等大气辐射传输计算软件，利用典型大气模式由地面能见度、大气温湿压等大气参数来计算某一段距离的大气透过率。实测方法根据朗伯比尔定律采用光度计、激光雷达和能见度仪等。激光雷达作为主动遥感仪器，可以实现昼夜大气透过率的反演测量。激光雷达在探测精度、空间分辨率和时间分辨率上的优势使其在环境和气象研究中起到越来越多的应用。大气气溶胶和分子对太阳辐射光具有散射和吸收作用，因而对大气透过率和气象能见度等产生重要影响。对气溶胶和分子的消光系数进行距离积分，可得到大气光学厚度，进而可以计算得到大气透过率。
然而激光雷达采用Fernald方法反演大气透过率会有两个问题：(1)激光雷达存在盲区和几何因子区，盲区没有数据，而几何因子区数据的误差较大；(2)薄云处的激光雷达比变化很大，并有多次散射的问题使得薄云的消光系数反演误差较大。这些都会影响激光雷达测量大气透过率的精度，影响其应用。本发明提出反演方案如下：首先，激光雷达进行水平测量，通过水平斜率法得到激光雷达系统常数C；然后，激光雷达设置到测量方向上，通过Fernald方法计算路径上的大气后向散射系数β和大气消光系数α分布，最后，在几何因子区和薄云以外选取一段(距离z0到z)进行(0-z)区间的大气透过率T0。这种发起透过的算法可以有效避免几何因子的影响和薄云的透过率计算误差，不需要进行几何因子校正和薄云的反演。提高了激光雷达测量大气透过率的可靠性。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有反演方法的缺陷，提供一种新的大气透过率的激光雷达反演方法，避免几何因子区和薄云对大气透过率带来的误差。
本发明为了解决反演技术问题所采用的方案是：
一种大气透过率的激光雷达反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先，激光雷达进行水平测量，通过水平斜率法得到激光雷达系统常数C；
(2)然后，激光雷达设置到测量方向上，通过Fernald方法计算路径上的大气后向散射系数β和大气消光系数α分布；
(3)最后，在激光雷达几何因子区和薄云以外选取一个距离点z0，通过后向积分法得到几何因子和薄云外的的大气消光系数廓线，再根据反演公式计算得到0-z区间的大气透过率T0值。
所述的一种大气透过率的激光雷达反演方法，其特征在于，所述水平斜率法反演激光雷达系统常数适合于大气水平分布均匀条件下的实验方法，即选择天气晴朗、干净、自然对流占主要地位的夜晚，此时可认为大气呈水平均匀分布。所述的一种大气透过率的激光雷达反演方法，其特征在于，所述0-z区间的大气透过率T0反演公式为：
；公式中P(z)代表激光雷达的回波信号，C为激光雷达系统常数，β(z)和α(z)分别为大气后向散射系数和大气消光系数。激光雷达接收到的回波功率可表示为：
P(z)是距离z处的回波功率；C为激光雷达常数；O(z)表示雷达几何因子；β1(z)和β2(z)分别是大气分子和气溶胶后向散射系数；α1(z)和α2(z)分别是大气分子和气溶胶消光系数。z0是激光雷达几何因子和薄云外的距离点，为了避免几何因子和薄云的影响。这样可以直接得到大气透过率，而不需要计算几何因子和薄云区的消光系数。首先通过后向积分法得到几何因子和薄云外的的大气消光系数廓线，通过上式得到T0。激光雷达系统常数测量选取稳定的夜晚天气条件下进行，反演过程如下。
对(2)式作距离修正得：
对(3)求对数得：
对(4)式微分可得：
上式中C为激光雷达常数，不随距离变化，所以第一项为0；几何因子表示的是激光雷达接收视场与发射激光束的发散角重叠的函数，相对于同轴和双轴激光雷达系统几何因子从近区0逐渐增大到1后在充满区一直保持为1。所以我们选取激光雷达充满区的信号，此时(5)式第二项为0；在大气充分混合的情况下大气水平分布均一(一般选取能见度较好的夜晚测量)，这样上式第3项为0。这样可得大气水平气溶胶消光系数αH：
大气分子消光系数α1和后向散射系数β1通过探空气球获得，也可以通过中纬度美国大气模式计算得出:
气溶胶后向散射系数β2通过上式(6)求得的消光系数αH和气溶胶消光散射比S2的经验值反演得到。研究表明，S2值一般在分布在30～70之间，我们这里取均值50。即可由下式求得激光雷达常数：
在求得的激光雷达常数的距离分布曲线中选取比较平滑的一段平均即可求得激光雷达常数。
本发明的优点是：
本发明的反演算法可以有效避免几何因子的影响和薄云的消光系数的反演误差，不需要进行几何因子区校正和薄云区的反演，提高了激光雷达测量大气透过率的可靠性。
附图说明
图1为本发明的反演方法流程图。
具体实施方式
采用Mei弹性散射激光雷达作为测量设备，波长532nm，能见度10km条件下测量5km。
如图1所示，一种大气透过率的激光雷达反演方法，包括以下步骤：
第一步：选取合适天气条件测量水平激光雷达数据，要求大气充分混合的情况下大气水平分布均匀；
第二步：从各阶段测量的原始数据中分别扣除天空背景噪声、接收电子仪器的暗电流噪声和热噪声等产生的背景信号，从而得到实际的大气后向散射回波信号，一般采取13-15km的回波信号的平均值作为背景信号；
第三步：通过公式(6)和(8)得到激光雷达系统常数；
第四步：在需要测量的时间段测量所需方位的激光雷达数据，并进行第二步的激光雷达信号预处理；
第五步：进行激光雷达薄云识别，并选取距离点z0，要求z0<z；z0大于薄云距离和激光因子区距离；
第六步：通过Fernald方法计算路径上的大气后向散射系数β和大气消光系数α分布；
第七步：通过上述公式(2)得到0-zkm之间的大气透过率T0值。

Claims (3)

1.一种大气透过率的激光雷达反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)首先，激光雷达进行水平测量，通过水平斜率法得到激光雷达系统常数C；
(2)然后，激光雷达设置到测量方向上，通过Fernald方法计算路径上的大气后向散射系数β和大气消光系数α分布；
(3)最后，在激光雷达几何因子区和薄云以外选取一个距离点z0，通过后向积分法得到几何因子和薄云外的的大气消光系数廓线，再根据反演公式计算得到0-z区间的大气透过率T0值。
2.根据权利要求1所述的一种大气透过率的激光雷达反演方法，其特征在于，所述水平斜率法反演激光雷达系统常数适合于大气水平分布均匀条件下的实验方法，即选择天气晴朗、干净、自然对流占主要地位的夜晚，此时可认为大气呈水平均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种大气透过率的激光雷达反演方法，其特征在于，所述0-z区间的大气透过率T0反演公式为：
公式中P(z)代表激光雷达的回波信号，C为激光雷达系统常数，β(z)和α(z)分别为大气后向散射系数和大气消光系数。
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