CN110441777B - 一种基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，结合了米散射激光雷达的工作原理，以及激光在大气中的辐射传输过程，建立了米散射激光雷达气溶胶的质量浓度及粒子谱的反演模型，经本方法计算气溶胶光学厚度后，可以从光学遥感图像中直接反演气溶胶近地面质量浓度，本发明搭建了遥感数据与地面监测数据间的桥梁，提高了遥感反演精度，并克服了大气遥感只能反演气溶胶立柱浓度的瓶颈，直接反演得到气溶胶近地面质量浓度，从而直观评估大气污染对人类健康的危害，对大气遥感的意义尤为突出。

Description

一种基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法

技术领域

本发明属于整体提升施工技术领域，主要涉及一种基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法。

背景技术

遥感卫星监测得到的是气溶胶的光学厚度，表征的是气溶胶颗粒物的粒柱浓度，即气溶胶质量浓度从地面到高空垂直向的积分。由于其不能直接监测近地面的气溶胶质量浓度，因此难以直接评估大气污染对人类健康的危害性。另外，遥感反演结果常以地面监测的地面气溶胶质量浓度作为验证数据，遥感反演的立柱浓度与因此难以与验证数据所测量的地面浓度建立直接联系，对遥感反演的精度评估造成影响。

目前解决该问题的方法主要有以下两种：

一是：利用随机森林、深度学习、加权回归分析、广义可加模型等经验统计模型直接建立对遥感反演的气溶胶立柱浓度和地面监测站点的颗粒物质量浓度的统计关系，无需深入了解大气机理，但由于大气污染时空变化极快，其来源和形成机制复杂多样，寿命大多仅有一周，但却可以跨越大洋传播，因此在垂直向、水平向分布、时间分布的特征均存在极大的变化特征，经验分析需要大量的数据作为样本，而广东气象条件较为复杂，大气污染监测分析较为困难，因此使用地面验证数据与遥感反演AOD结果建立经验关系有一定的局限。

二是：已有的星载、地基激光雷达等主动遥感方式，星载极光雷达虽然能直接测量大气垂向分布特征，但此类卫星数据的幅宽有限，重返周期较长，邻近亚轨道的间隔较大，垂直向分辨率与水平向分辨率较低，受到人眼安全及体积的限制，雷达功率极低，信噪比较低，且仪器状态不稳定，算法复杂且反演精度不稳定，无法满足气溶胶垂直分布规律分析精度、分辨率、尺度上的要求。

目前，地基激光雷达主要存在的问题在于，一，假定高空气溶胶含量较为稀薄，其气溶胶消光散射系数已知，作为边界值，从而由高空向下反演，但高空信噪比极低，依赖边界层的算法主要目的是避免计算雷达常数。而计算雷达常数的困难在于，要系统的研究雷达内部的工作原理，很多参数需要厂家对于仪器进行校准和测定，且由于涉及商业机密，雷达厂家常常拒绝提供部分雷达参数，因此实现难度较大；二，为了避免求解病态方程，使用某一个20到70之间的常数作为气溶胶消光散射比参数。上述参数的选取精度均极大影响模型的稳定性及精度。

发明内容

本发明目的在于针对现有方法的缺陷，提供一种基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，可利用激光雷达有效反演气溶胶垂直廓线，从而建立气溶胶不同高度质量浓度与光学厚度的函数关系，搭建遥感与地面测量的桥梁，直观评估大气污染对人类的危害。

为解决上述技术问题，本发明通过以下方案进行实施：

一种基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，包括以下步骤：

S1、根据大气在不同高度上的压力和温度，计算大气的在不同高度的密度，并根据所述压力、温度和密度，计算大气分子以及氮气分子在不同高度的消光系数与散射系数，根据所述大气分子以及氮气分子在不同高度的消光系数与散射系数；

S2、将激光雷达水平放置发射激光，测量均匀大气的激光雷达回波信号，在远距离无几何重叠处联立多个信号，求解均匀大气的气溶胶消光系数和散射系数和在不同高度的激光雷达几何重叠因子；

S3、引入在不同高度的激光雷达几何重叠因子，使用拉曼激光雷达测量所述气溶胶的消光系数与散射系数在不同高度上的垂向分布，并计算所述气溶胶在不同高度上的消光散射比；

S4、引入所述消光散射比和所述大气分子在不同高度的消光系数与散射系数，使用米散射激光雷达测量气溶胶的消光系数与散射系数在不同高度上的垂向分布；

S5、根据多波段激光雷达及辅助测量仪器判定气溶胶类型，计算气溶胶颗粒物的负折射率，根据气溶胶的消光系数与散射系数计算气溶胶颗粒物的质量浓度，根据质量浓度随高度的分布情况拟合气溶胶垂直分布规律，建立不同高度气溶胶质量浓度与气溶胶光学厚度的函数关系。

进一步的，所述步骤S1包括：

S11、测量实验地点的气温，计算温度、压力、大气分子密度随高度分布的廓线；

S12、跟据大气温压计算大气分子总的空气分子数N，空气折射指数m、用于修正偏振引起的误差的修正因子σ，最终计算得到大气分子消光系数α与散射系数β；

S13、根据大气温压计算氮气的粒子数浓度

、最终计算得到氮气分子的散射系数

。

进一步的，所述步骤S11中的密度的具体计算公式为：密度

式中，温度T、压力P在位势高度z<11000米的对流层中，T(z)＝T0-0.00649z，

在11000<z<25000的平流层中，T(z)＝-56.46，P(z)＝226.5*e^{(1.73-0.000157z})，在z>25000的平流层中，T(z)＝-131.21+0.00299z，

进一步的，所述步骤S12中的大气分子总的后向散射系数计算公式为

式中，m是空气折射指数，修正因子

用以消除偏振影响，σ使用经验值计算，波长λ＝532nm时，σ＝0.02842，N_A为阿伏伽德罗常数，W_M是干空气平均摩尔质量；

进一步的，所述步骤S13中的氮气分子的粒子数浓度

后向散射系数计算公式为

式中，V即氮气体积，P(z)为高度z处的大气压力，T(z)为高度z处的温度，k_B为Boltzmann常数,理想气体常数R等于Boltzmann常数乘以N_A，

为后向散射微分截面。

进一步的，所述步骤S2包括：

S21、在天气晴朗干净的夜晚，大气水平方向均匀分布的区域，将激光雷达水平放置发射激光，测量均匀大气的激光雷达回波信号，在远距离无几何重叠处联立多个信号，求解均匀大气的气溶胶消光系数α、散射系数β；

S22、根据所述气溶胶消光系数α、散射系数β在不同高度求解激光雷达几何重叠因子O(z)。

进一步的，所述步骤S21中，均匀大气的气溶胶消光系数

以及散射系数

式中：P和P₀分别为高度z和z₀的回波信号，K为雷达常数；

所述步骤S22中，激光雷达几何重叠因子

进一步的，步骤S3包括：

S31、对激光雷达的回波信号进行光子计数校正，

P为雷达回波信号，T为信号发射的次数，设定接收器接收回波信号的最大频率为f_max，f_s为采样频率；

S32、利用零相位滤波算法带入高斯滤波以提高光子计数校正后的激光雷达回波信号的信噪比，去噪后高空的回波信号的波动大大减少。

S33、拟合离散数据

其中离散数据即激光雷达测量的原始数据P(z)除以几何校正因子O(z)；并求解导数

导数的解析解为：

S34、计算消光系数α与后向散射系数β的垂直廓线，计算气溶胶在不同高度上的消光散射比S_a＝α/β。

进一步的，所述步骤S34中消光系数计算公式

后向散射系数计算公式为

式中，α(z,λ_L)和α(z,λ_R)分别是波长为λ_L、λ_R的激光所对应的消光系数。

进一步的，所述步骤S4包括：

S41、基于激光雷达工作原理计算雷达常数K＝E*f*A*cτ/2*η；

其中，激光雷达的平均功率P0＝E*f，E为雷达输出能量，f为频率，A为接收面积，接收器件的接收效率为η，接收角A/z²，A为接收面积；

S42、进行几何重叠校正、距离校正等处理，并取高空回波信号平均值作为背景噪声去除，最终得到处理后的回波信号

S43、带入消光散射比、大气分子消光系数等参数，利用米散射激光雷达回波信号测量200米以上的气溶胶的消光系数α与散射系数β垂向分布：

进一步的，所述步骤S5包括以下步骤。

S51、将多波长激光雷达所测量的多个回波信号带入雷达方程，联立求解计算不同粒径的气溶胶质量浓度，按对数正态分布求解气溶胶粒子谱分布，并根据光谱仪、光度计等测量的气溶胶光谱特征判定气溶胶类型，利用米散射定律计算颗粒物负折射率。

S52、根据气溶胶的消光系数α与散射系数β，颗粒物负折射率m，颗粒物直径D计算气溶胶颗粒物的质量浓度

其中，式中，D为粒子直径，k是气溶胶质量浓度与粒子数密度的经验比值，a_n、b_n是尺寸参数x和粒子折射率m的函数：

其中，

为Riccati-Bessel函数，ξ_n(x)为Riccati-Hankel函数。

S53、根据质量浓度随高度的分布情况拟合气溶胶垂直分布规律，建立不同高度气溶胶质量浓度与气溶胶光学厚度的函数关系。

进一步的，所述步骤S53中，不同高度气溶胶质量浓度与气溶胶光学厚度AOD的函数关系为：

与现有方法相比，本发明的有益方法效果如下：

本发明公开的一种基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，结合了米散射激光雷达的工作原理，以及激光在大气中的辐射传输过程，建立了米散射激光雷达气溶胶的质量浓度及粒子谱的反演模型，经本方法计算气溶胶光学厚度后，可以从光学遥感图像中直接反演气溶胶近地面质量浓度，本发明搭建了遥感数据与地面监测数据间的桥梁，提高了遥感反演精度，并克服了大气遥感只能反演气溶胶立柱浓度的瓶颈，直接反演得到气溶胶近地面质量浓度，从而直观评估大气污染对人类健康的危害，对大气遥感的意义尤为突出。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法的步骤示意图；

图2为本发明具体实施方式中所述的遥感反演结果和地面实测数据的对比结果示意图。

具体实施方式

为了充分地了解本发明的目的、特征和效果，以下将结合附图与具体实施方式对本发明的构思、具体步骤及产生的方法效果作进一步说明。

如图1所示，本具体实施方式公开了一种基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，包括以下步骤：

S1、根据大气在不同高度上的压力和温度，计算大气的在不同高度的密度，并根据压力、温度和密度，计算大气分子以及氮气分子在不同高度的消光系数与散射系数，根据大气分子以及氮气分子在不同高度的消光系数与散射系数；

具体的，步骤S1包括：

S11、测量实验地点的气温，计算温度、压力、大气分子密度随高度分布的廓线；

具体的，步骤S11中的密度的具体计算公式为：密度

式中，温度T、压力P在位势高度z<11000米的对流层中，T(z)＝T0-0.00649z，

在11000<z<25000的平流层中，T(z)＝-56.46，P(z)＝226.5*e^{(1.73-0.000157z)}，在z>25000的平流层中，

S12、跟据大气温压计算大气分子总的空气分子数N，空气折射指数m、用于修正偏振引起的误差的修正因子σ，最终计算得到大气分子消光系数α与散射系数β；

具体的，步骤S12中的大气分子总的后向散射系数计算公式为

式中，m是空气折射指数，修正因子

用以消除偏振影响，σ使用经验值计算，波长λ＝532nm时，σ＝0.02842，N_A为阿伏伽德罗常数，W_M是干空气平均摩尔质量；

S13、根据大气温压计算氮气的粒子数浓度

、最终计算得到氮气分子的散射系数

。

具体的，步骤S13中的氮气分子的粒子数浓度

后向散射系数计算公式为

式中，V即氮气体积，P(z)为高度z处的大气压力，T(z)为高度z处的温度，k_B为Boltzmann常数,理想气体常数R等于Boltzmann常数乘以N_A，

为后向散射微分截面。

S2、将激光雷达水平放置发射激光，测量均匀大气的激光雷达回波信号，在远距离无几何重叠处联立多个信号，求解均匀大气的气溶胶消光系数和散射系数和在不同高度的激光雷达几何重叠因子；

具体的，步骤S2包括：

S21、在天气晴朗干净的夜晚，大气水平方向均匀分布的区域，将激光雷达水平放置发射激光，测量均匀大气的激光雷达回波信号，在远距离无几何重叠处联立多个信号，求解均匀大气的气溶胶消光系数α、散射系数β；

具体的，步骤S21中，均匀大气的气溶胶消光系数

以及散射系数

式中：P和P₀分别为高度z和z₀的回波信号，K为雷达常数；

S22、根据气溶胶消光系数α、散射系数β在不同高度求解激光雷达几何重叠因子O(z)。

步骤S22中，激光雷达几何重叠因子

S3、引入在不同高度的激光雷达几何重叠因子，使用拉曼激光雷达测量气溶胶的消光系数与散射系数在不同高度上的垂向分布，并计算气溶胶在不同高度上的消光散射比；

具体的，所述步骤S3中，拉曼激光雷达较米散射激光雷达而言，均发射波长为λ_L的激光，但除了接收波长λ_L不发生变化的米散射回波信号以外，还会接收波长变化为λ_R的拉曼回波信号，据此可以联立两个方程，直接计算气溶胶的消光系数与散射系数，进一步的，步骤S3包括：

S31、对激光雷达的回波信号进行光子计数校正，

P为雷达回波信号，T为信号发射的次数，设定接收器接收回波信号的最大频率为f_max，f_s为采样频率；

S32、利用零相位滤波算法带入高斯滤波以提高光子计数校正后的激光雷达回波信号的信噪比，去噪后高空的回波信号的波动大大减少；

S33、拟合离散数据

其中离散数据即激光雷达测量的原始数据P(z)除以几何校正因子O(z)；并求解导数

导数的解析解为：

S34、计算消光系数α与后向散射系数β的垂直廓线，计算气溶胶在不同高度上的消光散射比S_a＝α/β。

具体的，步骤S34中消光系数计算公式

后向散射系数计算公式为

式中，α(z,λ_L)和α(z,λ_R)分别是波长为λ_L、λ_R的激光所对应的消光系数。

S4、引入消光散射比和大气分子在不同高度的消光系数与散射系数，使用米散射激光雷达测量气溶胶的消光系数与散射系数在不同高度上的垂向分布；

具体的，步骤S4包括：

S41、基于激光雷达工作原理计算雷达常数K＝E*f*A*cτ/2*η；

其中，激光雷达的平均功率P0＝E*f，E为雷达输出能量，f为频率，A为接收面积，接收器件的接收效率为η，接收角A/z²，A为接收面积；

S42、进行几何重叠校正、距离校正等处理，并取高空回波信号平均值作为背景噪声去除，最终得到处理后的回波信号

S43、带入消光散射比、大气分子消光系数等参数，利用米散射激光雷达回波信号测量200米以上的气溶胶的消光系数α与散射系数β垂向分布：

S5、根据多波段激光雷达及辅助测量仪器判定气溶胶类型，计算气溶胶颗粒物的负折射率，根据气溶胶的消光系数与散射系数计算气溶胶颗粒物的质量浓度，根据质量浓度随高度的分布情况拟合气溶胶垂直分布规律，建立不同高度气溶胶质量浓度与气溶胶光学厚度的函数关系。

具体的，步骤S5包括以下步骤。

S51、将多波长激光雷达所测量的多个回波信号带入雷达方程，联立求解计算不同粒径的气溶胶质量浓度，按对数正态分布求解气溶胶粒子谱分布，并根据光谱仪、光度计等测量的气溶胶光谱特征判定气溶胶类型，利用米散射定律计算颗粒物负折射率。具体的，以三波长激光雷达为例，气溶胶激光雷达有355nm、532nm、1064nm三个波段，综合考虑城市气溶胶主要包括的气溶胶类型并根据雷达的波段数分析结算方程的可行性，设气溶胶水溶性、沙尘、煤烟、海洋性气溶胶的粒子数浓度分别为N_sand、N_water、N_soot、N_seasalt，以及激光雷达三个波段的消光系数反演结果带入α_a＝N*σ_a，以求得四种组分气溶胶的粒子数浓度，从而判定主要的气溶胶类型，将该类型气溶胶的粒子半径作为单波长激光雷达的参数。

其中，对数正态分布表示为

其本质为高斯分布，粒子直径变化遵循正态分布，几何标准差σ_g决定分布的宽度，σ_g＝1时则为单分散分布，

为几何平均直径。

S52、根据气溶胶的消光系数α与散射系数β，颗粒物负折射率m，颗粒物直径D计算气溶胶颗粒物的质量浓度

其中，式中，D为粒子直径，k是气溶胶质量浓度与粒子数密度的经验比值，a_n、b_n是尺寸参数x和粒子折射率m的函数：

其中，

为Riccati-Bessel函数，ξ_n(x)为Riccati-Hankel函数。

S53、根据质量浓度随高度的分布情况拟合气溶胶垂直分布规律，建立不同高度气溶胶质量浓度与气溶胶光学厚度的函数关系。

具体的，步骤S53中，最终建立的不同高度气溶胶质量浓度与气溶胶光学厚度AOD的函数关系为：

本具体实施方式中公开的气溶胶垂直廓线的反演方法，结合了米散射激光雷达的工作原理，以及激光在大气中的辐射传输过程，建立了米散射激光雷达气溶胶的质量浓度及粒子谱的反演模型，通过激光雷达的系统参数来计算雷达常数，较传统模型使用高空边界值计算雷达常数的方法而言避免了高空数据信噪比低的影响，实际反演过程中结合了大气温度实测值计算大气分子的消光系数廓线，并依靠拉曼散射激光雷达提供气溶胶消光散射比参数的实测值，反演气溶胶的质量浓度垂直廓线，利用三波段激光雷达联立三个方程解算气溶胶粒子谱，用以反演气溶胶粒子谱的垂直分布，使用了同步观测的地面气溶胶浓度、太阳光度计、光谱仪等所测量的气溶胶光学厚度等多种数据作为验证数据，证实了本文模型优于传统反演结果，精度稳定性更高，能较好地反演出更加符合实际情况的气溶胶垂直分布廓线。

下面结合实际测量的一个实施例进一步阐述本方法的效果，实验团队对珠三角地区多个站点的气溶胶时空分布进行测量，并应用到光学遥感反演算法中，结合DEM数据反演气溶胶颗粒物近地面质量浓度，将不同地点的的高程z带入激光雷达所反演的气溶胶随高度分布的函数ρ_n(z)＝ρ_n(z₀)*A*e^-B*(z)中，根据遥感反演的气溶胶光学厚度AOD计算近地面质量浓度ρ_n。

以反演珠三角珠江三角洲地区广州中大激光雷达站点所测量的气溶胶垂直廓线为例，原始图像在白天存地明显的光柱，由于激光为绿光波段，极大的受到了太阳光的影响，为消除太阳光及仪器自身影响，获得一个好的纠正效果，实验团队进行光子计数校正去噪、几何重叠校正等预处理步骤,拟合离散数据后求导，获得气溶胶消光系数及消光散射比。

后续，实验团队利用多波段气溶胶激光雷达反演气溶胶颗粒物粒子谱，并结合光学遥感图像及DEM数据对2017、2019年两幅光学遥感所反演的气溶胶光学厚度结果计算得到气溶胶近地面质量浓度，最终使用地面实测数据与遥感反演结果进行对比，图2为对比的结果，由图2可知，遥感反演结果与地面验证数据的相关性得到明显提升，说明集成激光雷达与光学遥感数据可以很好的搭建遥感反演结果与地面验证数据的桥梁，为提高大气遥感的精度打下了基础。

本发明建立了气溶胶光学厚度与不同高度气溶胶质量浓度的函数关系，经本方法计算气溶胶光学厚度后，可以从光学遥感图像中直接反演气溶胶近地面质量浓度，本发明搭建了遥感数据与地面监测数据间的桥梁，提高了遥感反演精度，并克服了大气遥感只能反演气溶胶立柱浓度的瓶颈，直接反演得到气溶胶近地面质量浓度，从而直观评估大气污染对人类健康的危害，对大气遥感的意义尤为突出。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通方法人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本方法领域中方法人员依本发明构思在现有方法基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的方法方案，均应该在由本发明所确定的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据大气在不同高度上的压力和温度，计算大气的在不同高度的密度，并根据所述压力、温度和密度，计算大气分子以及氮气分子在不同高度的消光系数与散射系数，根据所述大气分子以及氮气分子在不同高度的消光系数与散射系数；

S2、将激光雷达水平放置发射激光，测量均匀大气的激光雷达回波信号，在远距离无几何重叠处联立多个信号，求解均匀大气的气溶胶消光系数和散射系数和在不同高度的激光雷达几何重叠因子；

S3、引入在不同高度的激光雷达几何重叠因子，使用拉曼激光雷达测量所述气溶胶的消光系数与散射系数在不同高度上的垂向分布，并计算所述气溶胶在不同高度上的消光散射比；

S4、引入所述消光散射比和所述大气分子在不同高度的消光系数与散射系数，使用米散射激光雷达测量气溶胶的消光系数与散射系数在不同高度上的垂向分布；

S5、根据多波段激光雷达及辅助测量仪器判定气溶胶类型，计算气溶胶颗粒物的负折射率，根据气溶胶的消光系数与散射系数计算气溶胶颗粒物的质量浓度，根据质量浓度随高度的分布情况拟合气溶胶垂直分布规律，建立不同高度气溶胶质量浓度与气溶胶光学厚度的函数关系。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、测量实验地点的气温，计算温度、压力、大气分子密度随高度分布的廓线；

S12、跟据大气温压计算大气分子总的空气分子数N，空气折射指数m、用于修正偏振引起的误差的修正因子σ，最终计算得到大气分子消光系数α与散射系数β；

S13、根据大气温压计算氮气的粒子数浓度

最终计算得到氮气分子的散射系数

3.根据权利要求2所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，所述步骤S11中的密度的具体计算公式为：密度

式中，温度T、压力P在位势高度z<11000米的对流层中，T(z)＝T0-0.00649z，

在11000<z<25000的平流层中，T(z)＝-56.46，P(z)＝226.5*e^{(1.73-0.000157z)}，在z>25000的平流层中，T(z)＝-131.21+0.00299z，

所述步骤S12中的大气分子总的后向散射系数计算公式为

式中，m是空气折射指数，修正因子

用以消除偏振影响，σ使用经验值计算，波长λ＝532nm时，σ＝0.02842，N_A为阿伏伽德罗常数，W_M是干空气平均摩尔质量；

所述步骤S13中的氮气分子的粒子数浓度

后向散射系数计算公式为

式中，V即氮气体积，P(z)为高度z处的大气压力，T(z)为高度z处的温度，k_B为Boltzmann常数,理想气体常数R等于Boltzmann常数乘以N_A，

为后向散射微分截面。

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、在天气晴朗干净的夜晚，大气水平方向均匀分布的区域，将激光雷达水平放置发射激光，测量均匀大气的激光雷达回波信号，在远距离无几何重叠处联立多个信号，求解均匀大气的气溶胶消光系数α、散射系数β；

S22、根据所述气溶胶消光系数α、散射系数β在不同高度求解激光雷达几何重叠因子O(z)。

5.根据权利要求4所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，所述步骤S21中，均匀大气的气溶胶消光系数

以及散射系数

式中：P和P₀分别为高度z和z₀的回波信号，K为雷达常数；

所述步骤S22中，激光雷达几何重叠因子

6.根据权利要求1所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、对激光雷达的回波信号进行光子计数校正，

P为雷达回波信号，T为信号发射的次数，设定接收器接收回波信号的最大频率为f_max，f_s为采样频率；

S32、利用零相位滤波算法带入高斯滤波以提高光子计数校正后的激光雷达回波信号的信噪比；

S33、拟合离散数据

其中离散数据即激光雷达测量的原始数据P(z)除以几何校正因子O(z)；并求解导数

导数的解析解为：

S34、计算消光系数α与后向散射系数β的垂直廓线，计算气溶胶在不同高度上的消光散射比S_a＝α/β。

7.根据权利要求6所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，所述步骤S34中消光系数计算公式为

后向散射系数计算公式为

式中，α(z,λ_L)和α(z,λ_R)分别是波长为λ_L、λ_R的激光所对应的消光系数。

8.根据权利要求1所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41、基于激光雷达工作原理计算雷达常数K＝E*f*A*cτ/2*η；

其中，激光雷达的平均功率P0＝E*f，E为雷达输出能量，f为频率，A为接收面积，接收器件的接收效率为η，接收角A/z²，A为接收面积；

S42、进行几何重叠校正、距离校正等处理，并取高空回波信号平均值作为背景噪声去除，最终得到处理后的回波信号

S43、带入消光散射比、大气分子消光系数等参数，利用米散射激光雷达回波信号测量200米以上的气溶胶的消光系数α与散射系数β垂向分布：

9.根据权利要求1所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51、将多波长激光雷达所测量的多个回波信号带入雷达方程，联立求解计算不同粒径的气溶胶质量浓度，按对数正态分布求解气溶胶粒子谱分布，并根据光谱仪、光度计等测量的气溶胶光谱特征判定气溶胶类型，利用米散射定律计算颗粒物负折射率；

S52、根据气溶胶的消光系数α与散射系数β，颗粒物负折射率m，颗粒物直径D计算气溶胶颗粒物的质量浓度

其中，式中，D为粒子直径，k是气溶胶质量浓度与粒子数密度的经验比值，a_n、b_n是尺寸参数x和粒子折射率m的函数：

其中，

为Riccati-Bessel函数，ξ_n(x)为Riccati-Hankel函数；

S53、根据质量浓度随高度的分布情况拟合气溶胶垂直分布规律，建立不同高度气溶胶质量浓度与气溶胶光学厚度的函数关系。

10.根据权利要求9所述的基于激光雷达的气溶胶垂直廓线的反演方法，其特征在于，所述步骤S53中，不同高度气溶胶质量浓度与气溶胶光学厚度AOD的函数关系为：

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