CN109596594B - 基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法 - Google Patents

基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于拉曼‑米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法，包括如下步骤：步骤一：获取拉曼‑米散射激光雷达中拉曼通道的回波信号，利用Ansmann法确定气溶胶激光雷达比，即利用拉曼法获得气溶胶的消光系数和后向散射系数；步骤二：获取拉曼‑米散射激光雷达中米通道的回波信号，基于Fernald法反演出气溶胶的消光系数分布廓线；步骤三：以步骤一中拉曼法的反演结果为基准，修正步骤二中米散射法反演消光系数分布廓线所需的关键参数：气溶胶消光系数边界值，进而提高米散射通道消光系数分布廓线的反演精度。本发明提供的基于拉曼‑米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法结合拉曼散射和米散射各自的特点，从而实现气溶胶的高精度探测。

Description

基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法
技术领域
本发明属于气溶胶测量技术领域，具体的涉及一种基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法。
背景技术
大气气溶胶通常指的是分散在大气中的固体、液体微粒组成的稳定混合体系，包括烟、雾、霾、尘埃、沙尘等。气溶胶散布于大气中，直接或间接地影响着大气环境中的许多物理化学变化。气溶胶直接影响大气对太阳辐射的反射和吸收作用，进而影响到行星反照率和气候系统，其间接作用表现为气溶胶参与大气的化学过程并作为云凝结核，改变着大气的成分。同时，作为云凝结核的气溶胶还会影响云的寿命，降水特性也会受到影响。因此，通过探测和研究气溶胶来改善大气环境就有了很重要的现实意义。
激光雷达因其具有高时空分辨率，高测量精度等优点，已作为一种主动遥感探测工具广泛应用于激光大气传输、全球气候探测、气溶胶辐射效应以及大气环境等研究领域，实现气溶胶消光系数、粒谱分布、形状等参数的大范围实时监测。米散射激光雷达常用Klett法和Fernald法反演气溶胶消光系数，该探测方法需要设定气溶胶消光系数边界值或激光雷达比，然而天气条件的改变会导致设定的参数值不准确，进而引发较大的反演误差。拉曼散射激光雷达测量气溶胶消光系数廓线的方法打破了Klett法和Fernald法的局限性，其反演过程不需要任何边界值，也不需要假设激光雷达比，便可大幅减小误差。但是，对于相对洁净的对流层中上部，拉曼散射激光雷达的回波信号弱(信噪比低)，信号中掺杂大量噪声，在消光系数反演时，往往会容易引入严重的误差和不确定性，并使得其探测距离受到限制。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法，基于拉曼-米散射激光雷达，且结合拉曼散射和米散射各自的特点，从而实现气溶胶的高精度探测。
为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法包括如下步骤：步骤一：获取拉曼-米散射激光雷达中拉曼通道的回波信号，利用Ansmann法确定气溶胶激光雷达比，即利用拉曼法获得气溶胶的消光系数和后向散射系数；步骤二：获取拉曼-米散射激光雷达中米通道的回波信号，基于Fernald法反演出气溶胶的消光系数分布廓线；步骤三：以步骤一中拉曼法的反演结果为基准，修正步骤二中米散射法反演消光系数分布廓线所需的关键参数：气溶胶消光系数边界值，进而提高米散射通道消光系数分布廓线的反演精度。
优选地，步骤一中，利用拉曼法获取气溶胶消光系数的公式为：
Figure BDA0001881512540000021
其中，λo为激光脉冲传输波长，λR为拉曼波长，
Figure BDA0001881512540000022
为利用拉曼法在激光波长λo时获得的气溶胶消光系数，NR(r)为氮气分子在距离r处的数密度，PλR(r)为距离r处拉曼波长为λR的接收功率，Pn为背景噪声，
Figure BDA0001881512540000023
是激光波长为λo时的的大气分子消光系数，可以表示为
Figure BDA0001881512540000024
Figure BDA0001881512540000025
是激光波长为λR时的的大气分子消光系数，可以表示为
Figure BDA0001881512540000026
其中Amol(r)为距离r处的大气分子数密度，k为气溶胶的Angstrom指数，可以假设k＝1。
优选地，步骤一中，利用Ansmann法确定气溶胶激光雷达比，也称为气溶胶消光后向散射比，即利用拉曼法获得气溶胶的消光系数和后向散射系数，然后通过公式
Figure BDA0001881512540000027
获得；
利用拉曼法获得气溶胶后向散射系数的公式为：
Figure BDA0001881512540000028
其中，
Figure BDA0001881512540000031
为拉曼法在激光波长λo时获得的气溶胶后向散射系数，
Figure BDA0001881512540000032
为大气后向散射系数。
优选地，在步骤二中Fernald法反演出气溶胶的消光系数分布轮廓的公式为：
Figure BDA0001881512540000033
其中，
Figure BDA0001881512540000034
为利用Fernald法在激光波长λo时获得的气溶胶消光系数，rm为参考高度，Sa和Sm分别代表气溶胶和大气分子的激光雷达比，S(r)＝ln[P(r)r2]为距离平方校准信号，
Figure BDA0001881512540000035
为气溶胶消光系数边界值。
优选地，步骤三中，截取米通道与拉曼通道相同探测范围内的米通道消光系数的反演数据，分析该探测范围内两种探测方法反演结果的相关性，以拉曼通道反演结果为基准，通过计算协方差、标准差获得两组数据的相关系数，并判断相关方向，调整米通道反演所需的消光系数边界值，并计算出新的消光系数廓线，不断重复上述过程，直至两组数据的相关系数达到设定的阈值，以此获得最终的气溶胶消光系数反演结果。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
(1)本发明基于拉曼-米散射激光雷达，结合拉曼散射和米散射各自的特点，提出了一种基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法，实现气溶胶的高精度探测。
(2)本发明涉及了气溶胶消光系数边界值和激光雷达比的确定，克服了传统气溶胶消光系数反演方法的局限性，有效地提高了米散射通道的反演精度。
(3)本发明结合了米散射和拉曼散射的特点，以拉曼通道的反演结果修正米散射的反演结果，克服了拉曼通道反演有效距离过短的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是基于拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数反演算法流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
如图1所示，本发明提供的基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法包括以下步骤：
步骤一：获取拉曼-米散射激光雷达中拉曼通道的回波信号，利用Ansmann法确定气溶胶激光雷达比，即利用拉曼法获得气溶胶的消光系数和后向散射系数。
具体地，在步骤一中，利用拉曼法获取气溶胶消光系数的公式为：
Figure BDA0001881512540000041
其中，λo为激光脉冲传输波长，λR为拉曼波长，
Figure BDA0001881512540000042
为利用拉曼法在激光波长λo时获得的气溶胶消光系数，NR(r)为氮气分子在距离r处的数密度，PλR(r)为距离r处拉曼波长为λR的接收功率，Pn为背景噪声，
Figure BDA0001881512540000043
是激光波长为λo时的的大气分子消光系数，可以表示为
Figure BDA0001881512540000044
Figure BDA0001881512540000045
是激光波长为λR时的的大气分子消光系数，可以表示为
Figure BDA0001881512540000046
其中Amol(r)为距离r处的大气分子数密度，k为气溶胶的Angstrom指数，可以假设k＝1。
其中，利用Ansmann法确定气溶胶激光雷达比(气溶胶消光后向散射比)，即利用拉曼法获得气溶胶的消光系数和后向散射系数，然后通过公式
Figure BDA0001881512540000051
获得；
利用拉曼法获得气溶胶后向散射系数的公式为：
Figure BDA0001881512540000052
其中，
Figure BDA0001881512540000053
为拉曼法在激光波长λo时获得的气溶胶后向散射系数，
Figure BDA0001881512540000054
为大气后向散射系数。
步骤二：获取拉曼-米散射激光雷达中米通道的回波信号，基于Fernald法反演出气溶胶的消光系数分布廓线。
具体地，步骤二中，Fernald法反演出气溶胶的消光系数分布轮廓的公式为：
Figure BDA0001881512540000055
其中，
Figure BDA0001881512540000056
为利用Fernald法在激光波长λo时获得的气溶胶消光系数，rm为参考高度，Sa和Sm分别代表气溶胶和大气分子的激光雷达比，S(r)＝ln[P(r)r2]为距离平方校准信号，
Figure BDA0001881512540000057
为气溶胶消光系数边界值。
需要说明的是，Fernald法所需的关键参数气溶胶消光系数边界值和激光雷达比分别有斜率法和Ansmann法获得。而且，斜率法计算气溶胶消光系数边界值，通过
Figure BDA0001881512540000058
获得。
步骤三：以步骤一中拉曼法的反演结果为基准，修正步骤二中米散射法反演消光系数分布廓线所需的关键参数：气溶胶消光系数边界值，进而提高米散射通道消光系数分布廓线的反演精度。
具体地，在步骤三中，截取米通道与拉曼通道相同探测范围内的米通道消光系数的反演数据，分析该探测范围内两种探测方法反演结果的相关性，以拉曼通道反演结果为基准，通过计算协方差、标准差获得两组数据的相关系数，并判断相关方向，调整米通道反演所需的消光系数边界值，并计算出新的消光系数廓线，不断重复上述过程，直至两组数据的相关系数达到设定的阈值，以此获得最终的气溶胶消光系数反演结果。
其中，两组激光雷达数据的相关系数，即通过相关系数的计算公式
Figure BDA0001881512540000061
获得。
米通道消光系数边界值的修正公式为：
Figure BDA0001881512540000062
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：获取拉曼-米散射激光雷达中拉曼通道的回波信号，利用Ansmann法确定气溶胶激光雷达比，即利用拉曼法获得气溶胶的消光系数和后向散射系数；
步骤二：获取拉曼-米散射激光雷达中米通道的回波信号，基于Fernald法反演出气溶胶的消光系数分布廓线；
步骤三：以步骤一中拉曼法的反演结果为基准，修正步骤二中米散射法反演消光系数分布廓线所需的关键参数：气溶胶消光系数边界值，进而提高米散射通道消光系数分布廓线的反演精度；
步骤三中，截取米通道与拉曼通道相同探测范围内的米通道消光系数的反演数据，分析该探测范围内两种探测方法反演结果的相关性，以拉曼通道反演结果为基准，通过计算协方差、标准差获得两组数据的相关系数，并判断相关方向，调整米通道反演所需的消光系数边界值，并计算出新的消光系数廓线，不断重复上述过程，直至两组数据的相关系数达到设定的阈值，以此获得最终的气溶胶消光系数反演结果。
2.根据权利要求1所述的基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：步骤一中，利用拉曼法获取气溶胶消光系数的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为激光脉冲传输波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为拉曼波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为利用拉曼法在激光波长
Figure DEST_PATH_IMAGE009
时获得的气溶胶消光系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为氮气分子在距离r处的数密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为距离r处拉曼波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
的接收功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为背景噪声；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
是激光波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
时距离r处的大气分子消光系数，表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
是激光波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
时距离r处的大气分子消光系数，表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为距离r处的大气分子数密度，k为气溶胶的Angstrom指数，假设k＝1。
3.根据权利要求2所述的基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：步骤一中，利用Ansmann法确定气溶胶激光雷达比，也称为气溶胶消光后向散射比，即利用拉曼法获得气溶胶的消光系数和后向散射系数，然后通过公式
Figure DEST_PATH_IMAGE030
获得；
利用拉曼法获得气溶胶后向散射系数的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为拉曼法在激光波长
Figure DEST_PATH_IMAGE035
时获得的气溶胶后向散射系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为拉曼法在激光波长
Figure DEST_PATH_IMAGE038
时获得的距离r处的大气后向散射系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为拉曼法在激光波长
Figure 366584DEST_PATH_IMAGE035
时获得的距离rm处的大气后向散射系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为氮气分子在距离rm处的数密度；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为激光波长为
Figure 638297DEST_PATH_IMAGE035
时距离r处的接收功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为激光波长为
Figure 649590DEST_PATH_IMAGE006
时距离rm处的接收功率；
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为激光波长为
Figure 842805DEST_PATH_IMAGE035
时距离rm处的接收功率；rm为参考高度；r代表高度距离，r’是为表明r属于一重积分运算内。
4.根据权利要求3所述的基于拉曼-米散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：在步骤二中Fernald法反演出气溶胶的消光系数分布轮廓的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
为利用Fernald法在激光波长
Figure 639991DEST_PATH_IMAGE004
时获得的气溶胶消光系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
代表大气分子的激光雷达比，r代表高度距离，r’表明r是属于一重积分运算内，r’’表明r是二重积分运算内；
Figure DEST_PATH_IMAGE056
为距离r处的距离平方校准信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为距离r处的接收功率信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为距离rm处的距离平方校准信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
为利用拉曼法确定的rm处的气溶胶激光雷达比；
Figure DEST_PATH_IMAGE066
为是激光波长为
Figure 508154DEST_PATH_IMAGE019
时rm处的大气分子消光系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为气溶胶消光系数边界值。
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