CN110109149A - 一种激光雷达低层消光系数廓线校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达低层消光系数廓线校正方法，先采用同时采用多轴差分吸收光谱仪与激光雷达分别测量出大气低层的气溶胶消光系数数据；然后分别对多轴差分吸收光谱仪与激光雷达所测量的气溶胶消光系数数据进行计算得到多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据、激光雷达测量的消光系数廓线数据；最后对多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据进行处理后作为多轴差分吸收光谱仪测量的大气消光系数廓线数据，对之前得到的激光雷达测量的消光系数廓线数据进行校正，得到校正后的激光雷达低层消光系数廓线。本发明具有方法简单、高效、能够减少低层消光廓线数据误差与减少测量成本等优点。

Description

一种激光雷达低层消光系数廓线校正方法

技术领域

本发明属于大气科学探测技术领域，具体涉及一种激光雷达低层消光系数廓线校正方法。

背景技术

气溶胶是指悬浮在大气中的固体或者液体颗粒物，对大气系统中起着重要作用。气溶胶粒子散射并吸收辐射，会对云的光学特性、寿命和形成产生影响。直接排放的烟尘颗粒，以及二次有机气溶胶的形成和凝结和气溶胶参与形成的有害气体会影响空气质量和人体健康。随着人类的生活水平的提高，由于人为因素产生的气溶胶总量增加，对我们生存环境产生了严重的危害。大部分气溶胶来源于地面，对流层中主要的气溶胶含量比例极高，因此底层和对流层的气溶胶含量很高，底层气溶胶含量对于大气中的云和物理化学过程产生很大的影响，以及在大气传输方面有很大影响。因此加强边界层和对流层低空的气溶胶分布和特性研究具有重要意义。目前，国内采用的气溶胶特性探测技术包括地基被动遥感的太阳光度计，以及卫星遥感探测，和主动的地基遥感激光雷达技术。激光雷达采用主动遥感的方式，因为其抗干扰能力强，激光波长短，发散角小，灵敏度和分辨率高的优点被广泛应用于大气气溶胶特性的研究。激光雷达相较太阳光度计可以探测大气气溶胶的垂直廓线信息，是一种有效的大气气溶胶探测方式。但是，激光雷达在探测大气气溶胶特性的过程中会因为系统本身的限制给测量结果造成无法避免的系统误差，例如由于激光雷达激光的发散角与望远镜接受视场部分重合时，发射激光仅有一部分被有效利用，称作激光雷达的几何重叠因子，由于这种系统误差会在探测的近距离处产生测量误差。在大气气溶胶消光特性廓线探测过程中，低层大气探测过程中会出现测量误差区，所以校正激光雷达低层消光廓线的误差对于研究气溶胶分布的特征具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种激光雷达低层消光系数廓线校正方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种激光雷达低层消光系数廓线校正方法，包括以下步骤：

步骤1、同时采用多轴差分吸收光谱仪与激光雷达分别测量出大气低层的气溶胶消光系数数据；

步骤2、分别对多轴差分吸收光谱仪与激光雷达所测量的气溶胶消光系数数据进行计算得到多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据、激光雷达测量的消光系数廓线数据；

步骤3、对多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据进行处理后作为多轴差分吸收光谱仪测量的大气消光系数廓线数据，对步骤2中得到的激光雷达测量的消光系数廓线数据进行校正，得到校正后的激光雷达低层消光系数廓线。

作为本发明的优选技术方案：步骤2中的激光雷达测量的消光系数廓线数据的计算方法为基于激光雷达测量出的大气低层的气溶胶消光系数数据，利用Fernald算法反演激光雷达所测得的气溶胶消光系数廓线数据，拟合出激光雷达测量的消光系数廓线数据。

作为本发明的优选技术方案：步骤2中的多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据的计算方法为基于多轴差分吸收光谱仪测量出的大气低层的气溶胶消光系数数据，利用最优估算方法与在大气辐射传输模式下，插值拟合得到多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据。

作为本发明的优选技术方案：步骤3的具体步骤如下：

步骤3.1、采集激光雷达的回波功率信号P(R)，当信号P(R)为峰值时对应的激光雷达探测高度为r₀，以r₀高度作为处理消光系数廓线数据的临界高度；

步骤3.2、对于rx高度以上的多轴差分吸收光谱仪与激光雷达所测得的消光系数廓线数据进行匹配检验，用以下公式计算：

|σ₁(r_i)-σ₂(r_i)|≤ε

式中，σ₁(r_i)为激光雷达在高度r_i所测量的气溶胶消光系数廓线数据，σ₂(r_i)为多轴差分光谱仪在高度r_i所测量的气溶胶消光系数廓线数据，ε取值足够满足消光匹配条件，高度r_i＞高度r₀；

步骤3.3、对于r₀高度以下的高度范围，将激光雷达空间分辨率Δr的高度分为多个区间，采用对多轴差分吸收光谱仪测得的相邻的多个区间的消光系数廓线数据取平均的方法，得到多轴差分吸收光谱仪测量处理后的消光系数廓线数据，作为多轴差分吸收光谱仪测量的大气消光系数廓线数据；

步骤3.4、将多轴差分吸收光谱仪测量的大气消光系数廓线数据来近似代替激光雷达空间分辨率Δr内的一个消光系数廓线数据，从而将激光雷达测量的消光系数廓线数据进行校正，得到激光雷达低层消光系数廓线。

本发明所述激光雷达低层消光系数廓线校正方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提出了一种对激光雷达探测的由于几何重叠因子所产生的低层消光廓线数据误差校正方法，利用简单的、小型的多轴差分吸收光谱仪测得的大气低层气溶胶消光廓线数据，通过数据匹配和数据处理方法，用来修正激光雷达由于几何重叠因子误差所造成的低层气溶胶消光廓线误差。通过两种仪器的数据处理可以修正激光雷达低层的气溶胶消光廓线信息，具有方法简单、高效、能够减少低层消光廓线数据误差与减少测量成本等优点。

附图说明

图1为激光雷达大气低层气溶胶消光廓线校正方法流程图；

图2为原始未校正前激光雷达的消光廓线图；

图3为经过校正之后的激光雷达消光廓线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为激光雷达大气低层气溶胶消光廓线校正方法流程图，首先分别通过激光雷达和多轴差分吸收光谱仪进行大气气溶胶消光廓线数据的探测。

基于激光雷达测量数据获取大气气溶胶消光系数数据，气溶胶消光系数反演一般建立在激光雷达方程基础上进行反演，在激光雷达垂直探测气溶胶消光廓线数据的方法中，经过前人的发展和完善，使用Fernald方法反演，其中多用后向积分方法，气溶胶垂直消光系数的后向积分方程可表示为：

其中，X(z)＝P(z)z²，为经过距离校正的回波信号，σ₁(z)，σ₂(z)分别表示气溶胶和大气分子在高度z处的消光系数，β₁(z)，β₂(z)分别表示气溶胶和大气分子在z高度处的后向散射系数，Z_c为计算时用到的标定高度，σ₁(z_c)，σ₂(z_c)分别为标定高度处的气溶胶和大气分子的消光系数，S₁＝σ₁(z)/β₁(z)，分别为气溶胶和大气分子的消光散射比，由上式可知，只要β₁(z)，Z_c，S₁，S₂已知，就可以由Fernald后向算法逐步迭代求解得到气溶胶的后向散射系数和消光系数。标定高度一般以标准大气后向散射系数或消光系数为标准，通常会引入散射比，即取散射比R为1.01，这样可以通过标准大气分子的后向散射系数计算得到气溶胶的后向散射系数β₂(z_c)。对于气溶胶消光散射比S₁取为50，标定高度在白天取3-5km。

再利用多轴差分吸收光谱技术求大气气溶胶消光廓线数据，基于最优估算法和大气辐射传输模式得方法求取大气的气溶胶的消光廓线数据，通过接收大气被动太阳辐射，根据大气分子对太阳辐射的吸收能力不同，来进行大气气溶胶消光廓线反演。把多轴差分光谱仪与激光雷达放置在同一片大气区域。通过最优估算法和大气辐射传输模式得到气溶胶消光数据，因为多轴差分吸收光谱以反演波段为477nm，而激光雷达反演气溶胶消光系数所用波段为532nm，因此需要对差分吸收光谱测量的消光系数进行转化。

利用以下公式求解532nm消光系数：

其中A为Angstrom指数，通过477nm波段消光系数得到532nm处消光系数值，表示为σ₂(z)。

最后对多轴差分吸收光谱仪的消光数据进行处理，并且将处理好的多轴差分吸收光谱仪测量的消光数据作为大气的消光系数廓线分布，然后将数据应用到激光雷达的消光廓线修正之中。

通过激光雷达的回波功率信号，当信号P(R)为峰值时对应的激光雷达探测高度为r₀，以及激光雷达探测时的空间分辨率为Δr。激光雷达峰值信号所对应的高度为r₀，激光雷达的大气气溶胶消光随高度分布表示为σ₁(z)，多轴差分吸收光谱仪的消光系数用σ₂(z)表示，对于r₀高度以上的多轴差分吸收光谱仪和激光雷达测得消光系数数值，首先是对r₀以上的消光数值进行匹配检验，用下面公式计算：

|σ₁(z)-σ₂(z)|＝ε

其中，ε取值足够满足消光匹配条件；ε取值足够小时，确定高度rx以上的气溶胶消光数值匹配良好。

对于r₀高度以下的消光数值，对多轴差分吸收光谱仪的数据进行处理，对于r₀高度以下的多轴差分吸收光谱仪所测得消光数据，对高度进行分层，激光雷达的空间分辨率为Δr，取高度分层数为：

j＝r₀/3Δr

取相邻的三个高度层的消光系数取平均，所得平均值来代替激光雷达的大气消光数据。

计算如下：

得到1到个消光数据点，将利用多轴差分吸收光谱仪测得的消光数据作为激光雷达在高度r₀以下的气溶胶消光数值，从而可以将激光雷达因为系统误差导致的消光廓线信息校正，得到大气真实气溶胶消光廓线。

具体工作中，选取一次激光雷达数据和MAXDOAS数据进行分析如下：激光雷达校正前所求得的消光数据廓线对应结果如附图2所示，其中黑色虚线为所对应选取的激光雷达回波信号P(R)为峰值时对应的激光雷达探测高度r₀，r₀对应探测高度为0.652km。以此高度作为分界，按照本发明进行计算处理，对应r₀高度下激光雷达消光廓线进行校正。所得校正后激光雷达消光廓线如附图3所示。结果表明，按照本发明可以对激光雷达低层由于系统误差而导致的消光廓线误差进行校正。

以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种激光雷达低层消光系数廓线校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、同时采用多轴差分吸收光谱仪与激光雷达分别测量出大气低层的气溶胶消光系数数据；

步骤2、分别对多轴差分吸收光谱仪与激光雷达所测量的气溶胶消光系数数据进行计算得到多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据、激光雷达测量的消光系数廓线数据；

步骤3、对多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据进行处理后作为多轴差分吸收光谱仪测量的大气消光系数廓线数据，对步骤2中得到的激光雷达测量的消光系数廓线数据进行校正，得到校正后的激光雷达低层消光系数廓线。

2.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，步骤2中的激光雷达测量的消光系数廓线数据的计算方法为基于激光雷达测量出的大气低层的气溶胶消光系数数据，利用Fernald算法反演激光雷达所测得的气溶胶消光系数廓线数据，拟合出激光雷达测量的消光系数廓线数据。

3.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，步骤2中的多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据的计算方法为基于多轴差分吸收光谱仪测量出的大气低层的气溶胶消光系数数据，利用最优估算方法与在大气辐射传输模式下，插值拟合得到多轴差分吸收光谱仪测量的消光系数廓线数据。

4.根据权利要求1所述的校正方法，其特征在于，步骤3的具体步骤如下：

步骤3.1、采集激光雷达的回波功率信号P(R)，当信号P(R)为峰值时对应的激光雷达探测高度为r₀，以r₀高度作为处理消光系数廓线数据的临界高度；

步骤3.2、对于r₀高度以上的多轴差分吸收光谱仪与激光雷达所测得的消光系数廓线数据进行匹配检验，用以下公式计算：

|σ₁（r_i)-σ₂(r_i)|≤ε

式中，σ₁(r_i)为激光雷达在高度r_i所测量的气溶胶消光系数廓线数据，σ₂(r_i)为多轴差分光谱仪在高度r_i所测量的气溶胶消光系数廓线数据，ε取值足够满足消光匹配条件，高度r_i＞高度r₀；

步骤3.3、对于r₀高度以下的高度范围，将激光雷达空间分辨率Δr的高度分为多个区间，采用对多轴差分吸收光谱仪测得的相邻的多个区间的消光系数廓线数据取平均的方法，得到多轴差分吸收光谱仪测量处理后的消光系数廓线数据，作为多轴差分吸收光谱仪测量的大气消光系数廓线数据；

步骤3.4、将多轴差分吸收光谱仪测量的大气消光系数廓线数据来近似代替激光雷达空间分辨率Δr内的一个消光系数廓线数据，从而将激光雷达测量的消光系数廓线数据进行校正，得到激光雷达低层消光系数廓线。