CN109541637A - 一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，该方法结合了斜率法和经典的Fernald算法，可以实现准确的水平方向气溶胶消光系数反演。首先，利用斜率法计算出激光雷达回波信号中较均匀一段的消光系数均值；其次，将斜率法计算出的消光系数作为消光系数初值，回波信号较均匀段的中点作为参考点带入Fernald法积分公式中，计算气溶胶水平消光系数廓线。本发明结合斜率法和Fernald法反演水平分布气溶胶消光系数，解决了传统Fernald算法因为缺少参考点以及对应的消光系数，而无法反演水平气溶胶消光系数的问题，从而实现利用激光雷达探测近地面气溶胶和污染物的分布。

Description

一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法
技术领域
本发明涉及大气激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法。
背景技术
近年来，随着我国经济的快速发展，城市规模的扩张和大量增加的城市人口，由工地扬尘、汽车尾气、工业废气以及生活排放的油烟等造成区域性复合型大气污染问题日益突出，严重制约了社会经济的可持续发展。激光雷达是遥感观测大气颗粒物污染的有效手段，具有探测范围广、可连续监测以及高时空分辨率等特点，被广泛应用于大气气溶胶和环境污染监测领域。垂直探测气溶胶反演消光系数的算法已趋于完善，然而，在探测近地面大气气溶胶水平分布的实际应用中，激光雷达由垂直状态转变为水平状态，垂直探测气溶胶反演消光系数的反演方法不能直接用于近地面气溶胶水平分布消光系数的反演。
在大气水平均匀分布的前提下，可用斜率法反演气溶胶消光系数。已知，米散射激光雷达方程：
P0为激光雷达发射功率；C为激光雷达常数；β(R)是距离R处的大气后向散射系数；α(R)是距离R处的气溶胶消光系数。
设S(R)＝ln[R2P(R)]，则激光雷达方程变为：
微分后得：
在气溶胶水平分布均匀的情况下对S和R进行最小二乘线性拟合，拟合曲线斜率的一般就是大气消光系数。然而，在实际水平探测气溶胶过程中气溶胶水平分布均匀的条件不一定成立。
此外，Fernald法也是用于反演气溶胶消光系数的一种方法，该方法的难点为参考点的选定以及参考点气溶胶消光系数初值的确定。在进行垂直观测时，参考点通常选取近乎不含气溶胶的清洁大气层所在高度，而激光雷达进行水平探测时，水平路径上不一定存在近乎不含气溶胶的清洁大气区域，因此更难以选取合适的参考点。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，以解决传统方法因缺少参考点以及对应的消光系数，而无法反演水平气溶胶消光系数的问题。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，包括：利用斜率法计算出激光雷达回波信号中较均匀一段的消光系数均值；以所述消光系数均值作为消光系数初值、以回波信号中较均匀一段的中点作为参考点带入Femald法后向积分公式中，反演出大气气溶胶水平消光系数。
作为优选，所述Fernald法后向积分公式如以下式(1)所示：
式(1)中，αa(r)是大气气溶胶消光系数；am(r)是大气分子消光系数；Sa是大气气溶胶消光后向散射比；Sm是大气分子后向的消光后向散射比；αa(rc)是参考点大气气溶胶的消光系数初值；αm(rc)是参考点大气分子的消光系数初值。
作为优选，式(1)中，Sa在20～100Sr的范围内取值。
作为优选，式(1)中，Sa的值为50。
作为优选，式(1)中，Sm的值为8π/3。
本发明公开了一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，该方法结合了斜率法和经典的Fernald算法，可以实现准确的水平方向气溶胶消光系数反演。首先，利用斜率法计算出激光雷达回波信号中较均匀一段的消光系数均值；其次，将斜率法计算出的消光系数作为消光系数初值，回波信号较均匀段的中点作为参考点带入Fernald法积分公式中，计算气溶胶水平消光系数廓线。本发明结合斜率法和Fernald法反演水平分布气溶胶消光系数，解决了传统Fernald算法因为缺少参考点以及对应的消光系数，而无法反演水平气溶胶消光系数的问题，从而实现利用激光雷达探测近地面气溶胶和污染物的分布。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
实施例1
一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，包括：利用斜率法计算出激光雷达回波信号中较均匀一段的消光系数均值；以所述消光系数均值作为消光系数初值、以回波信号中较均匀一段的中点作为参考点带入Fernald法后向积分公式中，反演出大气气溶胶水平消光系数。
其中，所述Femald法后向积分公式如以下式(1)所示：
式(1)中，αa(r)是大气气溶胶消光系数；am(r)是大气分子消光系数；Sa是大气气溶胶消光后向散射比；Sm是大气分子后向的消光后向散射比；αa(rc)是参考点大气气溶胶的消光系数初值；αm(rc)是参考点大气分子的消光系数初值。
式(1)中，Sa的值为50；Sm的值为8π/3。
实施例2
一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，包括：利用斜率法计算出激光雷达回波信号中较均匀一段的消光系数均值；以所述消光系数均值作为消光系数初值、以回波信号中较均匀一段的中点作为参考点带入Femald法后向积分公式中，反演出大气气溶胶水平消光系数。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，其特征在于，包括：利用斜率法计算出激光雷达回波信号中较均匀一段的消光系数均值；以所述消光系数均值作为消光系数初值、以回波信号中较均匀一段的中点作为参考点带入Fernald法后向积分公式中，反演出大气气溶胶水平消光系数。
2.根据权利要求1所述的一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，其特征在于所述Fernald法后向积分公式如以下式(1)所示：
式(1)中，αa(r)是大气气溶胶消光系数；am(r)是大气分子消光系数；Sa是大气气溶胶消光后向散射比；Sm是大气分子后向的消光后向散射比；αa(rc)是参考点大气气溶胶的消光系数初值；αm(rc)是参考点大气分子的消光系数初值。
3.根据权利要求2所述的一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，其特征在于，式(1)中，Sa在20～100Sr的范围内取值。
4.根据权利要求3所述的一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，其特征在于，式(1)中，Sa的值为50。
5.根据权利要求2所述的一种激光雷达水平探测气溶胶消光系数反演方法，其特征在于，式(1)中，Sm的值为8π/3。
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