CN113673139A - 一种双波长粒子谱反演方法 - Google Patents

一种双波长粒子谱反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及粒子谱反演,具体涉及一种双波长粒子谱反演方法,读取双波长激光雷达的原始数据,对波长数据进行预处理后,检验波长数据是否有效,若波长数据无效,则舍弃无效波长数据,并返回S1,否则对波长数据进行消光系数反演,计算消光系数比值,并在数据库中查找对应波长内消光系数比值的气溶胶有效直径,若波长内消光系数比值在数据库中不可查,则舍弃并返回S1,否则输出对应的气溶胶有效直径,通过气溶胶模型进行修正,修正后输出粒子谱,完成反演;本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的硬件设备结构复杂、计算量大的缺陷。

Description

一种双波长粒子谱反演方法
技术领域
本发明涉及粒子谱反演,具体涉及一种双波长粒子谱反演方法。
背景技术
气溶胶粒子的谱分布,是指对应于不同半径气溶胶粒子浓度的分布。研究气溶胶粒子谱可以更好地揭示颗粒物浓度、雾霾成因、粒径谱分布等,对于大气污染治理和气候成因变化有重要的科研作用。目前,主要采集气溶胶粒径谱仪进行探测,但是这种设备只能探测单点的值,若要探测区域范围内的气溶胶粒子谱分布,就需要使用多台设备进行探测。激光雷达作为一种主动遥感设备,可以对空间范围内的气溶胶进行探测,但是气溶胶粒子谱的反演是一大难题。
现有技术中,有通过三波长(355nm、532nm、1064nm)来反演粒子谱分布,硬件设备的结构复杂,成本较高,并且通过GCV正则化计算反演,计算复杂,计算量大。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点,本发明提供了一种双波长粒子谱反演方法,能够有效克服现有技术所存在的硬件设备结构复杂、计算量大的缺陷。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:
一种双波长粒子谱反演方法,包括以下步骤:
S1、读取双波长激光雷达的原始数据,对波长数据进行预处理后,检验波长数据是否有效;
S2、若波长数据无效,则舍弃无效波长数据,并返回S1,否则对波长数据进行消光系数反演;
S3、计算消光系数比值,并在数据库中查找对应波长内消光系数比值的气溶胶有效直径;
S4、若波长内消光系数比值在数据库中不可查,则舍弃并返回S1,否则输出对应的气溶胶有效直径;
S5、通过气溶胶模型进行修正,修正后输出粒子谱,完成反演。
优选地,S1中所述对波长数据进行预处理,包括:
将截取原始数据中最后一段数据的平均值作为背景值,利用数据序列减去背景值对波长数据进行扣除背景;
通过手动修正原始数据中近地面段数据,对波长数据进行几何因子修正。
优选地,S2中所述对波长数据进行消光系数反演,包括:
求解米散射激光雷达方程,通过假设激光雷达比,用Fernald方法计算得到消光系数。
优选地,所述米散射激光雷达方程如下:
Figure BDA0003212915570000021
式中,P(r)为激光雷达接收的高度r处的大气后向散射回波功率,Pt为激光雷达发射的激光功率,k为激光雷达系统常数,βm(r)为空气分子的后向散射系数,βa(r)为大气气溶胶的后向散射系数,αm(r’)为空气分子的消光系数,αa(r’)为大气气溶胶的消光系数;
大气气溶胶消光系数通过下式计算得到:
Figure BDA0003212915570000022
式中,Sa是大气气溶胶的消光后向散射比,或称激光雷达比,Sm是空气分子的消光后向散射比。
优选地,S3中所述计算消光系数比值,包括:
对计算出两个波长对应的消光系数相除,得到一组比值序列。
优选地,所述数据库中消光系数比值与气溶胶有效直径之间的对应关系通过模拟计算得到。
优选地,所述气溶胶模型为通过历史探测数据统计得出的不同天气、不同气溶胶类型下粒子有效直径的真值范围。
(三)有益效果
与现有技术相比,本发明所提供的一种双波长粒子谱反演方法,通过双波长进行消光系数反演,不仅降低了硬件设备结构的复杂程度,同时也减少了计算量;通过模拟计算出不同波长消光系数比值与气溶胶有效直径之间的对应关系,建立数据库,从而能够准确查找出气溶胶有效直径;通过历史探测数据建立不同气溶胶模型,对反演结果进行修正,提高了反演的精度和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图;
图2为337nm、1060nm双波长下消光系数比值与气溶胶有效直径之间的关系曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
一种双波长粒子谱反演方法,如图1所示,S1、读取双波长激光雷达的原始数据,对波长数据进行预处理后,检验波长数据是否有效。
其中,对波长数据进行预处理,包括:
将截取原始数据中最后一段数据的平均值作为背景值,利用数据序列减去背景值对波长数据进行扣除背景;
通过手动修正原始数据中近地面段数据,对波长数据进行几何因子修正。
当设备异常或者探测时极端天气会导致波长数据无效,此时应该舍弃无效波长数据。
S2、若波长数据无效,则舍弃无效波长数据,并返回S1,否则对波长数据进行消光系数反演。
其中,对波长数据进行消光系数反演,包括:
求解米散射激光雷达方程,通过假设激光雷达比,用Fernald方法计算得到消光系数。
米散射激光雷达方程如下:
Figure BDA0003212915570000041
式中,P(r)为激光雷达接收的高度r处的大气后向散射回波功率,Pt为激光雷达发射的激光功率,k为激光雷达系统常数,βm(r)为空气分子的后向散射系数,βa(r)为大气气溶胶的后向散射系数,αm(r’)为空气分子的消光系数,αa(r’)为大气气溶胶的消光系数。
大气气溶胶消光系数通过下式计算得到:
Figure BDA0003212915570000042
式中,Sa是大气气溶胶的消光后向散射比,或称激光雷达比,Sm是空气分子的消光后向散射比。
S3、计算消光系数比值,并在数据库中查找对应波长内消光系数比值的气溶胶有效直径。
S4、若波长内消光系数比值在数据库中不可查,则舍弃并返回S1,否则输出对应的气溶胶有效直径。
其中,计算消光系数比值,包括:
对计算出两个波长对应的消光系数相除,得到一组比值序列。
数据库中消光系数比值与气溶胶有效直径之间的对应关系通过模拟计算得到。
S5、通过气溶胶模型进行修正,修正后输出粒子谱,完成反演。
气溶胶模型为通过历史探测数据统计得出的不同天气、不同气溶胶类型下粒子有效直径的真值范围。
下面以335nm、1064nm双波长和532nm、1064nm双波长对本申请技术方案的反演过程进行描述。
1)双波长激光雷达发射波长为355nm、1064nm,激光雷达原始数据包含355nm波长通道探测数据、1064nm波长通道探测数据。首先,读取双波长激光雷达的原始数据,对波长355nm和波长1064nm的数据进行扣除背景、几何因子修正,然后对修正数据进行检验是否有效,舍弃无效数据,对有效数据进行消光系数反演,消光系数反演使用fernald方法,计算出355nm波长和1064nm波长对应的消光系数后相除,得到一组比值序列,在数据库中查找355nm/1064nm消光系数比值的气溶胶有效直径;若该波长和消光系数比值在数据库内不可查,则舍弃,若可查,则输出查找值并通过气溶胶模型进行修正,修正后输出粒子谱值,反演结束。
2)双波长激光雷达发射波长为532nm、1064nm,激光雷达原始数据包含532nm波长通道探测数据、1064nm波长通道探测数据。首先,读取双波长激光雷达的原始数据,对波长532nm和波长1064nm的数据进行扣除背景、几何因子修正;然后对修正数据进行检验是否有效,舍弃无效数据,对有效数据进行消光系数反演,消光系数反演使用fernald方法,计算出532nm波长和1064nm波长对应的消光系数后进行相除,得到一组比值序列,在数据库中查找532nm/1064nm消光系数比值的气溶胶有效直径;若该波长和消光系数比值在数据库内不可查,则舍弃,若可查,则输出查找值并通过气溶胶模型进行修正,修正后输出粒子谱值,反演结束。
如图2所示,通过模拟计算,分别得到337nm波长、1060nm波长的消光系数比值、后向散射系数比值与粒子有效直径之间的关系,550nm波长、1060nm波长的消光系数比值、后向散射系数比值与粒子有效直径之间的关系(注:图中各曲线与y轴相交从上到下依次表示337nm波长、1060nm波长的消光系数比值与粒子有效直径之间的关系,550nm波长、1060nm波长的消光系数比值与粒子有效直径之间的关系,337nm波长、1060nm波长的后向散射系数比值与粒子有效直径之间的关系,550nm波长、1060nm波长的后向散射系数比值与粒子有效直径之间的关系)。
在0.1-1um的粒子有效直径范围内,337nm波长、1060nm波长的消光系数比值与粒子有效直径呈线性关系,因此使用355nm、1064nm双波长可反演粒子有效直径。本申请技术方案中,为了提高反演的准确性,双波长选择时应选择消光系数比值与气溶胶粒子有效直径呈线性关系的波长组合。
同时,还需要更多的气溶胶模型,建立数据库来提高反演的准确性,并通过水平探测和气溶胶粒径谱仪的探测结果进行对比验证。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种双波长粒子谱反演方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1、读取双波长激光雷达的原始数据,对波长数据进行预处理后,检验波长数据是否有效;
S2、若波长数据无效,则舍弃无效波长数据,并返回S1,否则对波长数据进行消光系数反演;
S3、计算消光系数比值,并在数据库中查找对应波长内消光系数比值的气溶胶有效直径;
S4、若波长内消光系数比值在数据库中不可查,则舍弃并返回S1,否则输出对应的气溶胶有效直径;
S5、通过气溶胶模型进行修正,修正后输出粒子谱,完成反演。
2.根据权利要求1所述的双波长粒子谱反演方法,其特征在于:S1中所述对波长数据进行预处理,包括:
将截取原始数据中最后一段数据的平均值作为背景值,利用数据序列减去背景值对波长数据进行扣除背景;
通过手动修正原始数据中近地面段数据,对波长数据进行几何因子修正。
3.根据权利要求2所述的双波长粒子谱反演方法,其特征在于:S2中所述对波长数据进行消光系数反演,包括:
求解米散射激光雷达方程,通过假设激光雷达比,用Fernald方法计算得到消光系数。
4.根据权利要求3所述的双波长粒子谱反演方法,其特征在于:所述米散射激光雷达方程如下:
Figure FDA0003212915560000011
式中,P(r)为激光雷达接收的高度r处的大气后向散射回波功率,Pt为激光雷达发射的激光功率,k为激光雷达系统常数,βm(r)为空气分子的后向散射系数,βa(r)为大气气溶胶的后向散射系数,αm(r’)为空气分子的消光系数,αa(r’)为大气气溶胶的消光系数;
大气气溶胶消光系数通过下式计算得到:
Figure FDA0003212915560000021
式中,Sa是大气气溶胶的消光后向散射比,或称激光雷达比,Sm是空气分子的消光后向散射比。
5.根据权利要求4所述的双波长粒子谱反演方法,其特征在于:S3中所述计算消光系数比值,包括:
对计算出两个波长对应的消光系数相除,得到一组比值序列。
6.根据权利要求5所述的双波长粒子谱反演方法,其特征在于:所述数据库中消光系数比值与气溶胶有效直径之间的对应关系通过模拟计算得到。
7.根据权利要求6所述的双波长粒子谱反演方法,其特征在于:所述气溶胶模型为通过历史探测数据统计得出的不同天气、不同气溶胶类型下粒子有效直径的真值范围。
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