CN113138398A - 一种基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法 - Google Patents
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Abstract
基于无人机大气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,在地面目标位置放漫反射板,无人机大气激光雷达升空固定高度后将激光发射系统对准漫反射板,垂直于漫反射板发射激光脉冲;步骤二,激光接收系统接收后向散射信号,由光电探测和数据采集系统进行信号的转换和采集,然后由数据处理系统计算无人机大气激光雷达至漫反射板之间的大气光学参数;步骤三,无人机大气激光雷达上升固定高度n次,重复步骤二n次,得到对应高度的大气透过率、光学厚度,进而得到气溶胶消光系数的情况;步骤四,无人机大气激光雷达在下降过程中,可悬停固定高度n次,重复步骤二n次;相当于重复上升过程中的测量,通过增加测量次数提高结果的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法,更具体地说属于一种采用无人机和大气激光雷达反演气溶胶消光系数的方法。
背景技术
大气激光雷达(Atmospheric Lidar)是一种主动式光学遥感探测技术,可探测气溶胶消光系数、后向散射系数、退偏振比及粒径特性、大气温湿度、大气气体浓度等的时空分布。这些大气参数对大气化学、大气辐射、大气污染监测、天气预报以及气候模式研究等具有重要意义。米散射激光雷达常用Fernald法反演气溶胶消光系数,该探测方法需要设定大气气溶胶激光雷达比,激光雷达比依赖于发射的激光波长、气溶胶的尺度谱分布和折射系数,并且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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法,结合了无人机、大气激光雷达和漫反射板各自的特点,实现气溶胶的高精度探测。
本发明包括如下步骤:步骤一,在地面目标位置放置漫反射板,无人机大气激光雷达升空固定高度后将激光发射系统对准漫反射板,垂直于漫反射板发射激光脉冲;步骤二,激光接收系统接收后向散射回波信号,由光电探测和数据采集系统进行信号的转换和采集,然后由数据处理系统计算无人机大气激光雷达至漫反射板之间高度范围内的大气光学参数;步骤三,无人机继续上升固定高度n次,重复步骤二n次,得到对应高度范围的大气透过率、光学厚度,进而得到整段高度的气溶胶消光系数的情况;步骤四,无人机大气激光雷达在下降过程中,可悬停固定高度n次,重复步骤二n次,得到对应高度范围的大气透过率、光学厚度,进而得到整段高度的气溶胶消光系数的情况;相当于重复上升过程中的测量,通过增加测量次数提高所获结果的准确度。
利用漫反射板提供的后向散射信号不随天气变化、后向散射系数确定的特性可以不需要假设大气气溶胶的激光雷达比,可通过上升过程n次的探测数据利用激光雷达方程计算,并且步骤一中利用无人机可在漫反射板垂直正上方实现任意高度的悬停,使无人机每次飞行上升的高度相同,简化了复杂的反演过程,每次飞行下降时可重复测量提高结果准确度,而无人机每次探测时调整的高度越小,最终反演出的结果越精确。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1,本发明的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法探测原理图。
图2,本发明的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法激光雷达接收信号强度随漫反射板与无人机距离变化图。
图3,本发明的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法探测示意图。
图4,本发明的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法步骤流程图。
图中:1.无人机,2.大气激光雷达发射单元,3.大气激光雷达接收单元,4.漫反射板,5. 出射激光,6. 漫反射光,7. 大气激光雷达接收单元接收到的后向散射光,8、9、10、11分别表示探测到的对应无人机与漫反射板不同距离时漫反射板位置处的后向散射回波信号,12. 控制单元,13. 脉冲激光器,14. 激光发射系统,15. 大气,16. 地面放置的漫反射板,17. 激光接收系统,18. 光电探测和数据采集系统,19. 数据处理系统。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法,以解决相关领域的技术问题。
本发明的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法探测原理如图1所示。大气激光雷达发射单元(2)包括:控制单元、脉冲激光器及激光发射系统,大气激光雷达接收单元(3)包括:激光接收系统、光电探测和数据采集系统及数据处理系统。 为n段上升高度之和,大气激光雷达搭载到无人机(1)上,在地面目标位置放置漫反射板(4),无人机(1)升空固定高度后将大气激光雷达发射单元(2)向下对准目标位置处的漫反射板(4);利用漫反射板(4)对应的后向散射系数确定的特性可以使得我们不需要假设大气气溶胶的激光雷达比,大气激光雷达发射单元(2)将出射激光(5)发射到大气中,垂直打在对准的漫反射板(4)上,出射激光打在漫反射板上各个方向产生漫反射光(6),然后利用大气激光雷达接收单元(3)接收漫反射板的后向散射信号(7)。
本发明的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法大气激光雷达接收信号强度随漫反射板与无人机距离变化如图2所示。由于无人机处在地面放置的漫反射板正上方,不同高度意味着无人机与漫反射板距离不同,距离越近,漫反射板对应位置处的回波信号越强,(8)、(9)、(10)、(11)分别表示探测到的对应无人机与漫反射板不同距离时漫反射板位置处的后向散射回波信号;而无人机每次探测时调整的高度越小,最终反演出的结果越精确。
本发明的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法探测示意图如图3所示。控制单元(12)控制脉冲激光器(13)发射激光经准直后由激光发射系统(14)将激光入射到大气(15)中,激光接收系统(17)收集后向散射回波信号,通过光电探测和数据采集系统(18)实现信号的转换和采集,由数据处理系统(19)计算出大气光学参数。
本发明的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法步骤流程图如图4所示。在地面目标位置放置漫反射板并确认漫反射板的后向散射系数,根据激光雷达接收系统透过率及量子效率等参数计算出系统常数,控制无人机升空,使无人机位于漫反射板正上方;无人机大气激光雷达升空固定高度后将激光发射系统对准漫反射板;无人机大气激光雷达垂直于漫反射板发射激光脉冲,激光接收系统接收后向散射回波信号,由光电探测和数据采集系统进行信号的转换和采集,接下来无人机上升固定高度n次,重复测量n次并记录;经n次探测的数据计算可得到整段高度的气溶胶消光系数的情况,无人机飞行下降过程n次的测量相当于重复测量提高所获结果准确度。
其中为探测到的距离激光雷达系统处的后向散射光子个数, 为激光雷达发射出的激光脉冲包含的光子数,为系统常数,包括激光雷达自身的量子效率、大气激光雷达发射单元和大气激光雷达接收单元分别对波长的激光脉冲的透过率及激光雷达分辨率等可知参数,为激光雷达的几何重叠因子,为大气后向散射系数,为大气透过率。
其中大气透过率由朗伯定律可表示为:
其中为漫反射板的后向散射系数且为恒定值,可直接得知,相应的系统常数、几何重叠因子、激光发射脉冲的光子数可由激光雷达系统的参数得到,这里认为无人机飞行区域大于无人机大气激光雷达的盲区,所以可看作是一个常数。
无人机上升一定高度,就可以得到这段高度对应的大气光学厚度,由于上升高度已知,相应的系统常数、几何重叠因子、激光发射脉冲的光子数、漫反射板的后向散射系数及回波光子数都可得到确定值,所以反演这段高度的气溶胶消光系数的公式可写为:
步骤二中,大气激光雷达发射单元发射出激光,通过大气激光雷达接收单元通过接收望远镜接收后向散射回波信号,将回波数据记录下来,利用步骤一中推得的反演方法对探测数据处理,可得到此时无人机探测高度对应的气溶胶光学参数。
步骤三中,利用无人机进行n次高度的调整,同时激光雷达可得到对应不同高度的回波信息,可以对应地反演出气溶胶消光系数等光学参数。
由
可得:
步骤四中,无人机大气激光雷达调整为下降过程,在下降过程中,悬停固定高度n次,重复步骤二n次,得到对应高度范围的大气透过率、光学厚度,进而得到整段高度的气溶胶消光系数的情况;相当于重复上升过程中的测量,通过增加测量次数提高所获结果的准确度。
Claims (3)
1.一种基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法其特征在于:包括以下步骤,步骤一,在地面目标位置放置漫反射板,无人机大气激光雷达升空固定高度后将激光发射系统对准漫反射板,垂直于漫反射板发射激光脉冲;步骤二,激光接收系统接收后向散射回波信号,由光电探测和数据采集系统进行信号的转换和采集,然后由数据处理系统计算无人机大气激光雷达至漫反射板之间高度范围内的大气光学参数;步骤三,无人机继续上升固定高度n次,重复步骤二n次,得到对应高度范围的大气透过率、光学厚度,进而得到整段高度的气溶胶消光系数的情况;步骤四,无人机大气激光雷达在下降过程中,可悬停固定高度n次,重复步骤二n次,得到对应高度范围的大气透过率、光学厚度,进而得到整段高度的气溶胶消光系数的情况;相当于重复上升过程中的测量,通过增加测量次数提高所获结果的准确度。
2.权利要求1所述的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法其特征在于地面放置的漫反射板的后向散射系数确定。
3.权利要求1所述的基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法其特征在于无人机大气激光雷达可在漫反射板垂直正上方实现任意高度的悬停,并且每次探测时飞行调整的高度相同。
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114279915A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-05 | 青岛镭测创芯科技有限公司 | 一种大气颗粒物浓度反演方法及相关组件 |
CN116224370A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-06-06 | 中国海洋大学 | 基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法 |
CN117784101A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-03-29 | 武汉大学 | 一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统 |
Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101710178A (zh) * | 2009-12-04 | 2010-05-19 | 中国海洋大学 | 实时定标高光谱分辨率激光雷达装置 |
CN103234877A (zh) * | 2013-04-10 | 2013-08-07 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种大气颗粒物粒径谱时空分布激光雷达数据反演方法 |
CN104849724A (zh) * | 2015-05-14 | 2015-08-19 | 南京信息工程大学 | 一种气溶胶激光雷达比的测量方法及装置 |
CN105683699A (zh) * | 2013-08-22 | 2016-06-15 | 凯文·汉斯·梅尔斯海默 | 用于物质和能量梯级跌流的建筑系统 |
US20160223671A1 (en) * | 2011-06-30 | 2016-08-04 | The Regents Of The University Of Colorado | Remote measurement of shallow depths in semi-transparent media |
CN105988124A (zh) * | 2016-03-04 | 2016-10-05 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法 |
US9513635B1 (en) * | 2015-12-30 | 2016-12-06 | Unmanned Innovation, Inc. | Unmanned aerial vehicle inspection system |
US20180024036A1 (en) * | 2016-07-21 | 2018-01-25 | Rosemount Aerospace Inc. | Method of estimating cloud particle sizes using lidar ratio |
CN207937609U (zh) * | 2018-03-29 | 2018-10-02 | 南京信息工程大学 | 一种基于无人机的激光雷达探测仪 |
CN108627812A (zh) * | 2018-05-28 | 2018-10-09 | 成都信息工程大学 | 一种激光雷达大气能见度测量方法及装置 |
CN208477111U (zh) * | 2018-05-04 | 2019-02-05 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种基于LiDAR技术的无人机森林树高监测系统 |
CN110018486A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-07-16 | 上海擎朗智能科技有限公司 | 一种基于tof的多波束激光测距传感器 |
CN110386257A (zh) * | 2018-07-30 | 2019-10-29 | 魏荣亮 | 用于垂直升降飞行器的着舰装置及舰船 |
CN110456328A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-11-15 | 佛山市云展智能科技有限公司 | 多线激光雷达标定系统及标定方法 |
-
2020
- 2020-01-17 CN CN202010051800.1A patent/CN113138398B/zh active Active
Patent Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101710178A (zh) * | 2009-12-04 | 2010-05-19 | 中国海洋大学 | 实时定标高光谱分辨率激光雷达装置 |
US20160223671A1 (en) * | 2011-06-30 | 2016-08-04 | The Regents Of The University Of Colorado | Remote measurement of shallow depths in semi-transparent media |
CN103234877A (zh) * | 2013-04-10 | 2013-08-07 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种大气颗粒物粒径谱时空分布激光雷达数据反演方法 |
CN105683699A (zh) * | 2013-08-22 | 2016-06-15 | 凯文·汉斯·梅尔斯海默 | 用于物质和能量梯级跌流的建筑系统 |
CN104849724A (zh) * | 2015-05-14 | 2015-08-19 | 南京信息工程大学 | 一种气溶胶激光雷达比的测量方法及装置 |
US9513635B1 (en) * | 2015-12-30 | 2016-12-06 | Unmanned Innovation, Inc. | Unmanned aerial vehicle inspection system |
CN105988124A (zh) * | 2016-03-04 | 2016-10-05 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 基于吸收消光比标定廓线的气溶胶污染物分布探测方法 |
US20180024036A1 (en) * | 2016-07-21 | 2018-01-25 | Rosemount Aerospace Inc. | Method of estimating cloud particle sizes using lidar ratio |
CN207937609U (zh) * | 2018-03-29 | 2018-10-02 | 南京信息工程大学 | 一种基于无人机的激光雷达探测仪 |
CN208477111U (zh) * | 2018-05-04 | 2019-02-05 | 中国科学院遥感与数字地球研究所 | 一种基于LiDAR技术的无人机森林树高监测系统 |
CN108627812A (zh) * | 2018-05-28 | 2018-10-09 | 成都信息工程大学 | 一种激光雷达大气能见度测量方法及装置 |
CN110386257A (zh) * | 2018-07-30 | 2019-10-29 | 魏荣亮 | 用于垂直升降飞行器的着舰装置及舰船 |
CN110018486A (zh) * | 2019-05-06 | 2019-07-16 | 上海擎朗智能科技有限公司 | 一种基于tof的多波束激光测距传感器 |
CN110456328A (zh) * | 2019-07-24 | 2019-11-15 | 佛山市云展智能科技有限公司 | 多线激光雷达标定系统及标定方法 |
Non-Patent Citations (12)
Title |
---|
LONGLONG WANG: "Development of an Automatic Polarization Raman LiDAR for Aerosol Monitoring over Complex Terrain", 《SENSORS》 * |
QINAN LIN: "Detection of Pine Shoot Beetle (PSB) Stress on Pine Forests at Individual Tree Level using UAV-Based Hyperspectral Imagery and Lidar", 《REMOTE SENSING》 * |
冯帅等: "含有突变信号的激光雷达能见度反演", 《红外与激光工程》 * |
刘厚通: "利用Fernald迭代后向积分法反演低空探测机载激光雷达消光系数", 《光学学报》 * |
刘厚通等: "FFIM用于机载大气激光雷达ABCT反演的可行性研究", 《地球物理学报》 * |
刘君等: "紫外域激光雷达探测西安城区上空大气气溶胶时空剖面", 《光子学报》 * |
刘秉义等: "基于高光谱分辨率激光雷达的气溶胶分类方法研究", 《红外与激光工程》 * |
孙鸿娉等: "山西地区气溶胶垂直分布特征与光学特性的飞机观测研究", 《中国环境科学》 * |
张嘉霖等: "一次稳定天气系统下气溶胶沉降过程分析", 《安徽农业科学》 * |
温若橙等: "全极化干涉SAR反演树高的几种算法研究", 《测绘与空间地理信息》 * |
王杨: "多轴差分吸收光谱技术反演气溶胶消光系数垂直廓线", 《物理学报》 * |
韩锋等: "基于CALIOP探测的京津冀地区气溶胶垂直分布特征", 《环境工程》 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114279915A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-05 | 青岛镭测创芯科技有限公司 | 一种大气颗粒物浓度反演方法及相关组件 |
CN116224370A (zh) * | 2023-05-10 | 2023-06-06 | 中国海洋大学 | 基于扫描型多普勒激光雷达的低空风切变短时预警方法 |
CN117784101A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-03-29 | 武汉大学 | 一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113138398B (zh) | 2022-07-15 |
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