CN107741592A - 一种气溶胶多光学特性遥感观测系统及其观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气溶胶多光学特性遥感观测系统及其观测方法。本发明采用多个不同波长的激光器垂直发射激光，多个相应的接收器接收各自波长的散射光信号，得到大气的散射光信号强度随散射高度的变化，进一步通过迭代的方式得到多波长气溶胶消光系数的垂直廓线，从而得到气溶胶的波长指数的垂直廓线；能够同时获取从地面向上不同高度的多种气溶胶光学性质，避免了盲区对反演结果造成影响，只要无云天气都可以观测；本发明的观测系统简单而有效，成本较低，为气溶胶光学特性的垂直观测提供了新的技术手段，为遥感观测气溶胶光学特性相关仪器的反演提供了支持。
Description
技术领域
本发明涉及大气探测技术，具体涉及一种基于CCD探测技术的多波长气溶胶多光学特性遥感观测系统及其观测方法。
背景技术
气溶胶是悬浮在空气中的微小粒子。气溶胶的来源既有自然的(如海盐，沙尘，花粉)又有人为的(工厂汽车排放，化石燃料燃烧)。气溶胶通常被简单的称为大气颗粒物。理解大气中气溶胶特征对研究局地、区域和全球大气均十分重要。气溶胶在地球辐射收支和全球气候变化中起重要作用，不论直接效应——影响地球辐射平衡，还是间接效应——影响云的性质。气溶胶对地气系统的入射辐射和出射辐射的散射作用即构成了气溶胶直接气候效应的主要部分。然而，目前气溶胶光学性质对气候的影响在我们对气候变化的理解中仍然是最大的不确定性因素之一。为了研究气溶胶散射作用在气候等方面的影响，气溶胶的散射能力在不同波长、不同方向上的分布至关重要。
在现有的研究中，想要获取高空气溶胶光学特性分布随时间和高度的长期变化特征，只能采用遥感手段。激光雷达系统是最常用的气溶胶光学特性遥感观测仪器。在激光雷达系统中，激光脉冲在大气中传输。光被大气成分(气体分子，气溶胶粒子和云粒子)所散射。被散射的光中在激光雷达接收器方向的部分被接收器收集并测量以估算大气性质。激光雷达早在上世纪60年代第一次应用于观测气溶胶廓线。从那时起，应用激光雷达研究气溶胶廓线的方法得到了广泛关注，并在近几十年内有了长足的进展。在激光雷达的设计中，发射端和接收端都是垂直向上的，因此，在距地面一定的高度之下，均存在盲区和部分重叠区，即发射的激散射光回来的信号没有或只有一部分能够被接收器所捕捉到的区域。绝大部分气溶胶出现在大气边界层中。边界层在一天之中不断演化，气溶胶的垂直廓线也随之改变。在夜间，由于湍流交换较弱，气溶胶在几百米高的近地层内混合，而这也正是激光雷达所难以探测的区域。
为了解决这一问题，近年来，国内外一些研究人员设计了一种基于CCD相机探测技术的激光探测系统。这一类探测系统发射端采用连续激光进行发射，接收端在距发射端一定距离的地方采用CCD相机来接收。与传统后向散射激光雷达相比，CCD激光探测系统可以提供从很接近地面的激光束的底部开始的有效数据，且在边界层内垂直分辨率最大，可以达到1米。这也有助于更好的将该方法的观测结果与地面观测相结合，进而反演气溶胶一些物理化学特性的垂直分布。
但是现有的采用激光发射器结合CCD探测技术的仪器，均采用单波长激光器发射激光，因此只能测量气溶胶的散射系数，不能同时测量气溶胶的波长指数，因此在进一步反演高空气溶胶物理、化学特性时，误差很大。
发明内容
针对以上现有技术中存在的不足，本发明结合CCD激光气溶胶探测技术的优势，提出了一种气溶胶多光学特性遥感观测系统及其观测方法，具备探测无云情况下任意日期的夜间气溶胶散射系数、消光系数和波长指数的能力。
本发明的一个目的在于提出一种气溶胶多光学特性遥感观测系统。
本发明的气溶胶多光学特性遥感观测系统包括：激光发射单元、散射信号接收单元和计算机；其中，激光发射单元包括M个不同波长的激光器，每一个激光器发射一个波长的连续激光；在激光发射单元的旁边并且与激光发射单元的高度相同的位置安装散射信号接收单元，与M个不同波长的激光器相对应，散射信号接收器单元包括M个接收器，一个波长的激光器对应一个接收器，每一个接收器包括广角镜头、相对应的激光器的波长的激光滤波片和CCD相机；散射信号接收器单元连接至计算机；激光发射单元发射出垂直方向的M个不同波长的连续激光；激光束经大气的散射光由广角镜头汇聚，经各自的激光滤波片过滤后得到相对应波长的散射光信号，CCD相机接收相对应波长的散射光信号，并将光信号转换成电信号，传输至计算机；计算机得到各个波长的图像并对各个波长的图像进行处理，得到各个波长的散射光信号的垂直廓线，进而进行反演得到气溶胶散射系数、消光系数和波长指数的垂直廓线，M为≥3的自然数。
激光器采用固体激光材料作为发光物质。
接收器包括广角镜头、激光滤波片和CCD相机；其中，激光滤波片安装在广角镜头与CCD相机之间；接收器对准多波长的激光束的方向，广角镜头采用等角投影法，即被摄体的立体角与其在画面上所占的面积成正比，将宽范围内的散射光汇聚；经激光滤光片滤掉数据分析所不需要的天空背景信号和其他波长激光的散射光信号；由CCD相机接收所对应波长的大气对激光的散射光信号，CCD相机上每个像素接收到光子后分别产生电荷，并将其转换为电信号。
本发明的另一个目的在于提供一种气溶胶多光学特性遥感观测方法。
本发明的气溶胶多光学特性遥感观测方法，包括以下步骤：
1)散射信号接收单元的每一台CCD相机分别采集一张暗帧图像，即用挡板挡住CCD相机进行探测；
2)打开激光发射单元，发射出垂直方向的M个不同波长λj的连续激光，其中，j＝1,….,M；3)开启挡板，散射信号接收单元的每一个接收器对准多波长的激光束的方向，CCD相机采集相应波长的散射光信号，并传输至计算机；
4)计算机得到每一个波长的CCD图像，读取图像上每个像素的灰度数据，然后减去暗帧图像对应的灰度数据，得到去掉暗电流和噪声的激光束被大气散射的散射光的图像，大气包括气体和气溶胶；
5)采用线性拟合法拟合各个波长激光束的散射光的图像的中心轴；
6)得到各个波长中心轴上的每个像素所对应的激光束的散射光的散射角θ；
7)将拟合得到的中心轴以一个像素为步长分为多个档，每一档对应的像素点上做垂直于中心轴的线段，线段的宽度为高斯宽度，得到在高斯宽度内每一个像素对应的灰度值，对每一档的灰度值采用正态分布函数进行拟合，得到各个波长λj的大气的散射光信号强度I(λj)；
8)根据每个像素所对应的各个波长散射光的散射角以及大气的散射光信号强度，得到各个波长大气的散射光信号强度随散射角的变化I(θ,λj)；
9)根据散射光的散射角θ以及激光发射单元与散射信号接收单元之间的位置关系，得到散射高度h随散射角的变化h(θ)；
10)根据散射光的散射角θ、散射高度h(θ)以及大气的散射光信号强度随散射角的变化I(θ,λj)，得到各个波长大气的散射光信号强度随散射高度的变化I(h,λj)；
11)根据大气的散射光信号强度随散射高度的变化I(h,λ)的衰减，得到临界高度H，在临界高度H以上大气中没有气溶胶；
12)采用迭代法，通过归一化参数计算各个波长下的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)：
a)以临界高度H以上的大气的散射光信号强度作为空气分子的散射光信号强度，结合各个波长的空气分子的散射函数βair(h,λj)，分别计算各个波长的第i次归一化参数Ni(λj)：
其中，Tzi(λj)和TRi(λj)为第i次计算的在激光出射和散射两段路程上的大气透过率，i＝0,1,2,……，Tz0(λj)＝1，TR0(λj)＝1，在临界高度H以上βaero(h,λj)＝0，当i≥1时，
b)将步骤a)得到的归一化参数Ni(λj)应用到各垂直高度上，结合各个波长的空气分子的散射函数βair(h,λj)，进而得到各个波长的第i次计算的随高度变化的气溶胶的散射函数βaero(h,λj)i；
c)结合选定气溶胶分类的气溶胶散射相函数和气溶胶单次散射反照率，得到各个波长的第i次计算的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)i；
d)比较kaero(h,λj)i与kaero(h,λj)i-1，i≥1，如果在偏差范围以内，则以各个波长的第i次计算的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)i作为各个波长的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)，进入步骤13)，如
大于偏差范围，则i＝i+1，返回步骤a)，再次进行迭代；
13)对各个波长的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)随波长的变化在对数坐标上进行插值，得到气溶胶的波长指数的垂直廓线α(h,λj-λl)，其中，j和l＝1,….,M，且j≠l。其中，在步骤6)中，得到中心轴上的每个像素所对应的激光束的散射光的散射角，具体包括以下步骤：
a)调整CCD相机的角度，使得激光束被大气散射的散射光的图像经过CCD相机的像元矩阵的中心点；
b)运用参照物方法标出激光束被大气散射的散射光的散射角为90°对应的位置图像；
c)根据中心点与90°散射角对应的图像位置，结合广角镜头的焦距f，推算中心点所对应的激光束经大气散射的散射光的散射角；
d)根据中心点所对应的散射角、90°散射角对应的图像位置以及广角镜头的焦距f，推算出整个激光束经大气散射的散射光的散射角与图像上位置的对应关系，从而得到每个像素所对应的激光束的散射光的散射角。
在步骤7)中，正态分布函数满足：
其中，x为垂直于中心轴的线段内的像素点坐标，μ为线段中点的坐标，(x-μ)即为线段内每一像素点到中点的距离，σ为正态分布的标准差，I0为CCD相机接收到的天空背景辐亮度，而在该档处对应的激光束的散射光的信号强度即为I。
在步骤11)中，临界高度H≤5公里。
在步骤12)的步骤b)中，第i次计算的随高度变化的气溶胶的散射函数βaero(h,λj)i满足：
在步骤12)的步骤c)中，第i次计算的气溶胶的消光系数kaero(h,λj)i的垂直廓线满足：
其中，ω(λj)为波长λj的气溶胶单次散射反照率，p(θ,λj)为波长λj的气溶胶散射相函数。
在步骤12)的步骤d)中，偏差范围在±1％。
在步骤13)中，气溶胶波长指数的垂直廓线α(h,λj-λl)满足：
本发明的优点：
本发明采用多个不同波长的激光器垂直发射激光，多个相应的接收器接收各自波长的散射光信号，得到大气的散射光信号强度随散射高度的变化，进一步通过迭代的方式得到多波长气溶胶消光系数的垂直廓线，从而得到气溶胶的波长指数的垂直廓线；能够同时获取从地面向上不同高度的多种气溶胶光学性质，避免了盲区对反演结果造成影响，只要无云天气都可以观测；本发明的观测系统简单而有效，成本较低，为气溶胶光学特性的垂直观测提供了新的技术手段，为遥感观测气溶胶光学特性相关仪器的反演提供了支持。
附图说明
图1为本发明的气溶胶多光学特性遥感观测系统的一个实施例的示意图；
图2为本发明的气溶胶多光学特性遥感观测方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的气溶胶多光学特性遥感观测系统包括：激光发射单元A、散射信号接收单元B和计算机；其中，激光发射单元A包括3个不同波长(405nm,532nm,671nm)的激光器，每一个激光器发射一个波长的连续激光(405nm,532nm,671nm)；在激光发射单元的旁边并且与激光发射单元的高度相同的位置安装散射信号接收单元B，与3个不同波长的激光器相对应，散射信号接收器单元包括3个接收器，一个波长的激光器对应一个接收器，每一个接收器包括广角镜头B1、相对应的激光器波长的激光滤波片B3、B4和B5，以及CCD相机B2；散射信号接收器单元连接至计算机。B3、B4、B5滤光片分别对应405nm、532nm和671nm波长。
如图2所示，本实施例的气溶胶多光学特性遥感观测方法，包括以下步骤：
1)散射信号接收单元的每一台CCD相机分别采集一张暗帧图像，即用挡板挡住CCD相机进行探测；
2)打开激光发射单元，发射出垂直方向的3个不同波长λj的连续激光，其中，j＝1,2,3；
3)开启挡板，散射信号接收单元的每一个接收器对准多波长的激光束的方向，CCD相机采集相应波长的散射光信号，并传输至计算机；
4)计算机得到每一个波长的CCD图像，读取图像上每个像素的灰度数据，然后减去暗帧图像对应的灰度数据，得到去掉暗电流和噪声的激光束被大气散射的散射光的图像，大气包括气体和气溶胶；
5)采用线性拟合法拟合各个波长激光束的散射光的图像的中心轴；
6)得到中心轴上的每个像素所对应的激光束的散射光的散射角θ；
7)将拟合得到的中心轴以一个像素为步长分为多个档，每一档对应的像素点上做垂直于中心轴的线段，线段的宽度为高斯宽度，得到在高斯宽度内每一个像素对应的灰度值，对每一档的灰度值采用正态分布函数进行拟合，得到各个波长λj的大气的散射光信号强度I(λj)；
8)根据每个像素所对应的各个波长散射光的散射角以及大气的散射光信号强度，得到各个波长大气的散射光信号强度随散射角的变化I(θ,λj)；
9)根据散射光的散射角θ以及激光发射单元与散射信号接收单元之间的位置关系，得到散射高度h随散射角的变化h(θ)；
10)根据散射光的散射角θ、散射高度h(θ)以及大气的散射光信号强度随散射角的变化I(θ,λj)，得到各个波长大气的散射光信号强度随散射高度的变化I(h,λj)；
11)根据大气的散射光信号强度随散射高度的变化I(h,λ)的衰减，得到临界高度H，在临界高度H以上大气中没有气溶胶；
12)采用迭代法，通过归一化参数计算各个波长下的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)：
e)以临界高度H以上的大气的散射光信号强度作为空气分子的散射光信号强度，结合各个波长的空气分子的散射函数βair(h,λj)，分别计算各个波长的第i次归一化参数Ni(λj)：
其中，Tzi(λj)和TRi(λj)为第i次计算的在激光出射和散射两段路程上的大气透过率，i＝0,1,2,……，Tz0(λj)＝1，TR0(λj)＝1，在H以上βaero(h,λj)＝0，当i≥1时，
f)将步骤a)得到的归一化参数Ni(λj)应用到各垂直高度上，结合各个波长的空气分子的散射函数βair(h,λj)，进而得到各个波长的第i次计算的随高度变化的气溶胶的散射函数βaero(h,λj)i；
g)结合选定气溶胶分类的气溶胶散射相函数和气溶胶单次散射反照率，得到各个波长的第i次计算的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)i；
h)比较kaero(h,λj)i与kaero(h,λj)i-1，i≥1，如果在偏差范围以内，则以各个波长的第i次计算的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)i作为各个波长的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)，进入步骤13)，如
大于偏差范围，则i＝i+1，返回步骤a)，再次进行迭代；
13)对各个波长的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)随波长的变化在对数坐标上进行插值，得到气溶胶的波长指数的垂直廓线α(h,λj-λl)，其中，j和l＝1,2,3，且j≠l。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种气溶胶多光学特性遥感观测方法，其特征在于，所述观测方法包括以下步骤：
1)散射信号接收单元的每一台CCD相机分别采集一张暗帧图像，即用挡板挡住CCD相机进行探测；
2)打开激光发射单元，发射出垂直方向的M个不同波长λj的连续激光，其中，j＝1,….,M；
3)开启挡板，散射信号接收单元的每一个接收器对准多波长的激光束的方向，CCD相机采集相应波长的散射光信号，并传输至计算机；
4)计算机得到每一个波长的CCD图像，读取图像上每个像素的灰度数据，然后减去暗帧图像对应的灰度数据，得到去掉暗电流和噪声的激光束被大气散射的散射光的图像，大气包括气体和气溶胶；
5)采用线性拟合法拟合各个波长激光束的散射光的图像的中心轴；
6)得到各个波长中心轴上的每个像素所对应的激光束的散射光的散射角θ；
7)将拟合得到的中心轴以一个像素为步长分为多个档，每一档对应的像素点上做垂直于中心轴的线段，线段的宽度为高斯宽度，得到在高斯宽度内每一个像素对应的灰度值，对每一档的灰度值采用正态分布函数进行拟合，得到各个波长λj的大气的散射光信号强度I(λj)；
8)根据每个像素所对应的各个波长散射光的散射角以及大气的散射光信号强度，得到各个波长大气的散射光信号强度随散射角的变化I(θ,λj)；
9)根据散射光的散射角θ以及激光发射单元与散射信号接收单元之间的位置关系，得到散射高度h随散射角的变化h(θ)；
10)根据散射光的散射角θ、散射高度h(θ)以及大气的散射光信号强度随散射角的变化I(θ,λj)，得到各个波长大气的散射光信号强度随散射高度的变化I(h,λj)；
11)根据大气的散射光信号强度随散射高度的变化I(h,λ)的衰减，得到临界高度H，在临界高度H以上大气中没有气溶胶；
12)采用迭代法，通过归一化参数计算各个波长下的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)：
a)以临界高度H以上的大气的散射光信号强度作为空气分子的散射光信号强度，结合各个波长的空气分子的散射函数βair(h,λj)，分别计算各个波长的第i次归一化参数Ni(λj)：
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其中，Tzi(λj)和TRi(λj)为第i次计算的在激光出射和散射两段路程上的大气透过率，i＝0,1,2,……，Tz0(λj)＝1，TR0(λj)＝1，在临界高度H以上βaero(h,λj)＝0，当i≥1时，
b)将步骤a)得到的归一化参数Ni(λj)应用到各垂直高度上，结合各个波长的空气分子的散射函数βair(h,λj)，进而得到各个波长的第i次计算的随高度变化的气溶胶的散射函数βaero(h,λj)i；
c)结合选定气溶胶分类的气溶胶散射相函数和气溶胶单次散射反照率，得到各个波长的第i次计算的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)i；
d)比较kaero(h,λj)i与kaero(h,λj)i-1，i≥1，如果在偏差范围以内，则以各个波长的第i次计算的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)i作为各个波长的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)，进入步骤13)，如大于偏差范围，则i＝i+1，返回步骤a)，再次进行迭代；
13)对各个波长的气溶胶消光系数的垂直廓线kaero(h,λj)随波长的变化在对数坐标上进行插值，得到气溶胶的波长指数的垂直廓线α(h,λj-λl)，其中，j和l＝1,….,M，且j≠l。
2.如权利要求1所述的观测方法，其特征在于，在步骤6)中，得到中心轴上的每个像素所对应的激光束的散射光的散射角，具体包括以下步骤：
a)调整CCD相机的角度，使得激光束被大气散射的散射光的图像经过CCD相机的像元矩阵的中心点；
b)运用参照物方法标出激光束被大气散射的散射光的散射角为90°对应的位置图像；
c)根据中心点与90°散射角对应的图像位置，结合广角镜头的焦距f，推算中心点所对应的激光束经大气散射的散射光的散射角；
d)根据中心点所对应的散射角、90°散射角对应的图像位置以及广角镜头的焦距f，推算出整个激光束经大气散射的散射光的散射角与图像上位置的对应关系，从而得到每个像素所对应的激光束的散射光的散射角。
3.如权利要求1所述的观测方法，其特征在于，在步骤7)中，正态分布函数满足：
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其中，x为垂直于中心轴的线段内的像素点坐标，μ为线段中点的坐标，(x-μ)即为线段内每一像素点到中点的距离，σ为正态分布的标准差，I0为CCD相机接收到的天空背景辐亮度，而在该档处对应的激光束的散射光的信号强度即为I。
4.如权利要求1所述的观测方法，其特征在于，在步骤11)中，临界高度H≤5公里。
5.如权利要求1所述的观测方法，其特征在于，在步骤12)的步骤b)中，第i次计算的随高度变化的气溶胶的散射函数βaero(h,λj)i满足：
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6.如权利要求1所述的观测方法，其特征在于，在步骤12)的步骤c)中，第i次计算的气溶胶的消光系数kaero(h,λj)i的垂直廓线满足：
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其中，ω(λj)为波长λj的气溶胶单次散射反照率，p(θ,λj)为波长λj的气溶胶散射相函数。
7.如权利要求1所述的观测方法，其特征在于，在步骤12)的步骤d)中，偏差范围在±1％。
8.如权利要求1所述的观测方法，其特征在于，在步骤13)中，气溶胶波长指数的垂直廓线α(h,λj-λl)满足：
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9.一种气溶胶多光学特性遥感观测系统，其特征在于，所述观测系统包括：激光发射单元、散射信号接收单元和计算机；其中，所述激光发射单元包括M个不同波长的激光器，每一个激光器发射一个波长的连续激光；在激光发射单元的旁边并且与激光发射单元的高度相同的位置安装散射信号接收单元，与M个不同波长的激光器相对应，所述散射信号接收器单元包括M个接收器，一个波长的激光器对应一个接收器，每一个接收器包括广角镜头、相对应的激光器的波长的激光滤波片和CCD相机；所述散射信号接收器单元连接至计算机；激光发射单元发射出垂直方向的M个不同波长的连续激光；激光束经大气的散射光由广角镜头汇聚，经各自的激光滤波片过滤后得到相对应波长的散射光信号，CCD相机接收相对应波长的散射光信号，并将光信号转换成电信号，传输至计算机；计算机得到各个波长的图像并对各个波长的图像进行处理，得到各个波长的散射光信号的垂直廓线，进而进行反演得到气溶胶散射系数、消光系数和波长指数的垂直廓线，M为≥3的自然数。
10.如权利要求9所述的观测系统，其特征在于，所述接收器包括广角镜头、激光滤波片和CCD相机；其中，所述激光滤波片安装在广角镜头与CCD相机之间；所述接收器对准多波长的激光束的方向，广角镜头采用等角投影法，将散射光汇聚；经激光滤光片滤掉数据分析所不需要的天空背景信号和其他波长激光的散射光信号；由CCD相机接收所对应波长的大气对激光的散射光信号，CCD相机上每个像素接收到光子后分别产生电荷，并将其转换为电信号。
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