CN113671533A - 一种扫描式大气探测激光雷达实时数据处理方法 - Google Patents

一种扫描式大气探测激光雷达实时数据处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扫描式大气探测激光雷达实时数据处理方法。该方法将距离平方修正信号转换到直角坐标系后再网格化，构造大气透过率修正信号函数并利用最小二乘法拟合本底大气消光系数，再利用拟合得到的本底大气消光系数计算大气透过率并对信号进行透过率修正，再利用本底大气消光系数对修正后的信号归一化即得到激光雷达扫描区域大气消光系数二维分布。本发明主要应用于水平扫描工作的大气颗粒物污染监测激光雷达，可以实现稳定、鲁棒的大气消光系数二维分布反演。

Description

一种扫描式大气探测激光雷达实时数据处理方法
技术领域
本发明属于大气遥感探测领域，具体涉及激光雷达大气颗粒物污染监测系 统的实时、稳定数据处理。
背景技术
开放空间大气颗粒物污染监测是定位环境污染源头的重要手段，传统手段 通过布设多个原位探测传感器的方式监测大气颗粒物污染，成本高且难以精准 定位污染源。大气激光雷达发射一束脉冲激光，通过测量不同时间大气后向散 射信号，实现不同距离大气颗粒物污染监测，结合水平扫描机构，可以实现大 空间范围网格化的大气颗粒物污染遥感，单台扫描式激光雷达即可实现大区域 颗粒物污染监测，在同样探测效能下，布设密度远低于原位探测传感器。但是， 由于激光雷达的信号强度同时受大气散射与衰减效应的影响，导致实际数据处 理过程依赖一些假设条件，对数据处理算法的鲁棒性造成一定的影响。
大气探测激光雷达的回波信号写为：
Figure BDA0003210376300000011
C为系统常数，s为数据点和激光雷达安装位置的距离，β为大气后向散射 系数，α为大气消光系数，对于均匀大气，可以采用Klett斜率法，直接对距离 平方修正的信号取对数后微分得到大气消光系数，计算方法如下式所示：
Figure BDA0003210376300000012
这种方法实现简单、算法稳定，但是对非均匀大气，会存在较大的偏差， 为此，将消光系数与后向散射系数的比值设定为常数，并且假设参考距离的消 光系数，可以由Fernald方法根据以下公式计算消光系数：
Figure BDA0003210376300000021
α(sref)为参考距离消光系数，采用这种方法计算消光系数，参考距离处消 光系数的选择对精度影响较大，往往需要人工介入选择参考位置，实时处理的 鲁棒性较低。
发明内容
为克服现有技术在实时性、鲁棒性方面的不足，本发明提供了一种扫描式 大气污染监测激光雷达实时数据处理方法，此方法不依赖于参考位置大气参数 的选择，可以实时输出扫描区域消光系数二维分布结果。
本发明提出的实时数据处理流程具体步骤为：(1)获取扫描激光雷达不同 角度和距离原始信号；(2)将激光雷达测得的信号乘以距离的平方；(3)将数 据从极坐标系转换到直角坐标系；(4)数据均匀网格化；(5)构造大气透过率 修正信号函数；(6)利用最小二乘法拟合本底大气消光系数；(7)根据拟合得 到的本底大气消光系数计算不同距离大气透过率，并对信号进行大气透过率修 正；(8)利用本底大气消光系数对大气透过率修正后的信号进行归一化；(9) 输出不同坐标的大气消光系数。
对于步骤(3)，极坐标和直角坐标系的转换规则为：
x＝s·cosθ，y＝s·sinθ
其中s为数据点和激光雷达安装位置的距离；θ为数据点的方位角，正北方 向为0度，正东方向为90度，正南方向为180度，正西方向为270度；x为数 据点和原点的东西方向距离，向东为正，向西为负；y为数据点和原点的南北 方向距离，向北为正，向南为负。
对于步骤(4)，按照最大有效扫描区域设计均匀网格，网格x方向和y方 向间距分别为Δx和Δy，x和y方向扫描范围分别为[xmin,xmax]和[ymin,ymax]，网 格数分别为Nx和Ny，网格的中心坐标为：
xi＝xmin+(i-1)·Δx,i＝1,2,3,…,Nx
yj＝ymin+(j-1)·Δy,j＝1,2,3,…,Ny
i和j为网格序号，步骤(4)计算落在网格矩形区域内的所有数据的平均值， 赋值为该网格点数据值：
Figure BDA0003210376300000031
N(xi,yi)为落在[xi,yi]网格内所有数据点的数量。
对于步骤(5)，构造大气透过率修正信号函数的形式为：
Figure BDA0003210376300000032
其中未知数α为大气消光系数。
对于步骤(6)，利用最小二乘法拟合本底大气衰减系数α0，残差函数构造 为：
Figure BDA0003210376300000033
取δ(α)最小时的值α0为大气本底消光系数，M为网格内的所有有效数据。
对于步骤(7)，根据步骤(6)计算得到的本底大气消光系数，对信号进 行大气透过率修正，得到相对大气散射系数：
Figure BDA0003210376300000034
对于步骤(8)，根据步骤(7)得到的相对大气散射系数，再利用本底大 气消光系数进行归一化，即可得到大气消光系数分布：
Figure BDA0003210376300000041
<R′(xi,yj)>为R′(xi,yj)的平均值。
本发明公开了一种扫描式大气污染监测激光雷达实时数据处理方法，将激 光雷达扫描数据转换到直角坐标系下的均匀网格中进行处理，可以实现稳定可 靠的大气消光系数二维分布探测。相比传统的需要假设参考距离大气参数的反 演方法，该方法不需要频繁的人工介入，可以实现稳定、鲁棒的数据输出，利 于扫描式激光雷达数据实时数据处理。
附图说明
图1为扫描式大气探测激光雷达实时数据处理方法流程图。
具体实施方式
下面将利用典型的扫描式激光雷达对本发明所提出的数据处理方法进行 阐述。
典型的扫描式大气污染监测激光雷达将大气探测激光雷达安装在转台上， 整个激光雷达绕垂直方向扫描轴旋转，实现区域大气监测，典型的指标包括： 激光器工作波长1064nm，数据采集系统采样率20MSps，原始数据距离分辨率 7.5m，激光雷达有效探测范围0.1-2km，扫描范围0～360°，单次扫描时间10 分钟。
针对此系统，采用本发明提出算法的系统工作流程为：
(1)激光器开始工作，发射脉冲激光，同步开始数据采集，扫描机构开 始按照既定速度和范围开始扫描；
(2)激光雷达结束扫描，数据处理系统读取不同角度θ、不同距离s的原 始信号P(θ,s)，对原始信号进行预处理后，乘以距离的平方，得到距离平方修 正信号R(θ,s)＝P(θ,s)·s2；
(3)将所有数据的坐标由极坐标(θ,s)变换为直角坐标(x,y)，其中θ为方 位角，s为距离，x和y分别为东西和南北向距离坐标原点距离；坐标变换采用 以下方法：
x＝s·cosθ，y＝s·sinθ
(4)设计均匀的网格，网格的边界按照扫描区域的有效范围来设计，网 格间距可以根据数据信噪比来定，网格间距越大，数据信噪比越高，本例中激 光雷达最大有效探测距离为2km，区域x方向边界xmin和xmax、区域y方向边 界ymin和ymax、网格间隔Δx和Δy、网格数Nx和Ny、网格中心坐标xi和yj分别 为(单位为米)：
xmin＝-2000，xmax＝2000
ymin＝-2000，ymax＝2000
Δx＝20，Δy＝20
Nx＝200，Ny＝200
xi＝xmin+(i-1/2)×Δx，i＝1,2,…,200
yi＝ymin+(j-1/2)×Δy，j＝1,2,…,200
(5)对落在每个网格内的所有数据点计算平均值，得到网格化的距离平 方修正信号，计算方法如下：
Figure BDA0003210376300000051
其中N(xi,yj)为落在对角坐标为
Figure BDA0003210376300000052
和
Figure BDA0003210376300000053
的网格内的所有数据点的数量，当N(xi,yj)等于0时，即网格内没有有效原始数据 点时，将对应的R(xi,yj)记为无效数据。
(6)构造大气透过率修正函数：
Figure BDA0003210376300000061
其中α为大气消光系数。
(7)按照以下方法构造残差函数δ(α)：
Figure BDA0003210376300000062
利用最小二乘法拟合本底大气消光系数，将δ(α)最小时的消光系数定为本 底大气消光系数α0；
(8)按照以下方法计算大气透过率修正信号：
Figure BDA0003210376300000063
其中α0为最小二乘法拟合得到的本底大气消光系数；
(9)按照以下方法对信号进行归一化：
Figure BDA0003210376300000064
<R′(xi,yj)>为所有大气透过率修正信号的平均；
(10)输出消光系数二维分布α(xi,yj)。
按照以上方法，可以每10分钟输出一副4000m×4000m范围内的消光系 数分布图。

Claims (6)

1.一种扫描式大气探测激光雷达实时数据处理方法，其特征在于包括以下步骤：(1)获取激光雷达信号、(2)距离平方修正、(3)数据坐标转换、(4)网格化数据、(5)构造大气透过率修正信号函数、(6)最小二乘法拟合本底大气消光系数、(7)信号大气透过率修正、(8)数据归一化、(9)输出不同位置大气消光系数数据。
2.根据权利要求1所述的一种扫描式大气探测激光雷达实时数据处理方法，其特征在于：步骤(3)中所述的数据坐标转换方法如下：利用步骤(2)对原始信号进行距离平方修正后，再将距离平方修正信号由极坐标变换到直角坐标系下，变换规则为：
x＝s·cosθ，y＝s·sinθ (1)
其中s为原始数据坐标点离激光雷达安装位置的距离，θ为原始数据坐标点相对激光雷达安装位置的方位角，x和y分别为南北和东西方向距离激光雷达安装位置的距离。
3.根据权利要求1所述的一种扫描式大气探测激光雷达实时数据处理方法，其特征在于：步骤(4)中所述的网格化数据的方法为：根据扫描范围设计数据x和y方向边界xmin、xmax、ymin和ymax，根据数据采集卡的距离分辨率设计网格间距Δx和Δy，将所有落在特定网格内的数据计算算术平均，作为该网格点的信号强度值：
Figure RE-FDA0003278722050000011
R(x,y)为直角坐标系下的原始数据，R(xi,yj)为网格中心点的信号强度，i和j分别为网格的x和y方向序号。
4.根据权利要求1所述的一种扫描式大气探测激光雷达实时数据处理方法，其特征在于：步骤(5)中所述的构造大气透过率修正信号函数为：
Figure RE-FDA0003278722050000021
其中α为大气消光系数，R(xi,yj)为网格化的距离平方修正信号。
5.根据权利要求1所述的一种扫描式大气污染监测激光雷达实时数据处理方法，其特征在于：步骤(6)中所述的最小二乘法拟合本底大气消光系数，拟合本底大气衰减系数α0，残差函数构造如下式(4)所示：
Figure RE-FDA0003278722050000022
M为网格化有效数据个数。
6.根据权利要求1所描述的一种扫描式大气污染监测激光雷达实时数据处理方法，其特征在于：步骤(7)中所述的信号大气透过率修正方法为：利用本底大气消光系数计算大气透过率，并对网格化距离修正回波信号进行大气透过率修正，再利用本底大气消光系数进行归一化，得到大气消光系数二维分布，如下式(5)和(6)所示：
Figure RE-FDA0003278722050000023
Figure RE-FDA0003278722050000024
R′(xi,yj)为本底大气透过率修正信号，
Figure RE-FDA0003278722050000025
为网格化的本底大气透过率修正信号的平均值，α(xi,yj)为数据处理方法输出的消光系数数据。
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