CN113777579A - 一种拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法 - Google Patents

一种拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法 Download PDF

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Abstract

一种拉曼‑米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，涉及大气激光雷达技术领域，根据获取的激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率、大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线步骤获得激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线；结合激光雷达测量所得纯转动拉曼散射廓线信号强度、激光雷达测量所得米‑瑞利散射廓线信号强度廓线、激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线、大气分子数密度廓线、大气分子瑞利散射后向散射系数廓线与激光雷达标定常数反演获得气溶胶后向散射系数廓线；气溶胶激光雷达比与上述步骤结合获得气溶胶消光系数廓线；本发明有效提高气溶胶消光系数廓线的反演精度，具有很高的实用价值。

Description

一种拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法
技术领域
本发明涉及大气激光雷达技术领域，尤其是涉及一种拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法。
背景技术
公知的，大气气溶胶指悬浮在大气中的直径0.001μm-100μm的固体、液体颗粒物，如：扬尘、黑炭、植物孢子、花粉、细小冰晶、火山灰等。气溶胶粒子作为云凝结核影响云滴数量，进而影响降水量，吸收散射太阳辐射，改变行星反照率，直径小于1μm的气溶胶可直接进入肺泡中，直接影响人体健康，其种类、粒径、消光系数与后向散射系数是其主要参数。
激光雷达技术在大气气溶胶消光系数廓线探测领域获得了广泛应用。目前，常用的大气气溶胶消光系数廓线反演算法是Fernald法，Fernald法假定已知某一参考高度处的气溶胶消光系数与气溶胶激光雷达比，向下积分，获取不同高度处的气溶胶消光系数，Fernald法反演计算时，在中高空，激光雷达几何重叠因子为1，无需进行修正，在低空，需根据高度不同进行几何重叠因子修正，激光雷达工作时，长期的应力释放、短期的温度变化、激光发射角度的漂移、回波信号接收角度的变化等均可导致几何重叠因子发生变化，导致引入较大的测量误差。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，包括以下步骤：
步骤一、根据大气分子纯转动拉曼散射谱线波长与激光雷达分光系统光谱透过率函数获得激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率；
步骤二、根据大气温度廓线获得大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线；
步骤三、结合步骤一与步骤二，获得激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线；
步骤四、结合激光雷达测量所得纯转动拉曼散射廓线信号强度、激光雷达测量所得米-瑞利散射廓线信号强度廓线、激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线、大气分子数密度廓线、大气分子瑞利散射后向散射系数廓线与激光雷达标定常数反演获得气溶胶后向散射系数廓线；
步骤五、结合气溶胶激光雷达比与气溶胶后向散射系数廓线即可获得气溶胶消光系数廓线。
所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，步骤一中，激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率公式为：
T(ν)＝∫h(v'－v,T)G(v')dv'
其中：T(ν)即激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率；
h(v'－v,T)为激光雷达分光系统光谱透过率函数；
G(v')为大气分子纯转动拉曼散射谱线波长。
所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，步骤二中，根据大气温度廓线获得大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线的公式为：
Figure BDA0003226088700000031
其中：β(ν,z)为大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线，ν代表谱线频率，z为测量高度；h为普朗克常量；c为真空光速；B为大气分子转动常数；q为统计权重因子；X(J)为与转动量子数J有关的常数；I为核自旋量子数；kB为玻尔兹曼常数；T(z)为高度z处的大气温度；
Figure BDA0003226088700000032
为与分子极化率张量各向异性有关的常数；E(J)为转动量子数为J的转动能级；D为大气分子的偏心常数。
所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，步骤三种，获得激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线的公式为：
S(ν,z)＝T(ν)×β(ν,z)
其中，S(ν,z)即激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线。
所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，步骤四中，气溶胶后向散射系数廓线公式为：
Figure BDA0003226088700000033
其中：βA(z)为高度z处的气溶胶后向散射系数；
K为标定常数；
WM(z)为激光雷达测量所得米-瑞利散射廓线信号强度；
S(ν,z)为激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线；
N(z)为大气分子数密度廓线；
WR(z)为激光雷达测量所得纯转动拉曼散射廓线信号强度；
βM(z)为大气分子瑞利散射后向散射系数廓线。
所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，步骤五中，气溶胶消光系数廓线公式为：
αA(z)＝SA×βA(z)
其中：αA(z)为高度z处的气溶胶消光系数；
SA为气溶胶激光雷达比；
βA(z)为高度z处的气溶胶后向散射系数。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，无需进行几何重叠因子标定，不受低空几何重叠因子变动的影响，且无需已知参考高度处的气溶胶消光系数，减少了气溶胶消光系数反演中的变量，可有效提高气溶胶消光系数廓线的反演精度，具有很高的实用价值。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
结合附图1所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，包括以下步骤：
步骤一、根据大气分子纯转动拉曼散射谱线波长与激光雷达分光系统光谱透过率函数获得激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率；激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率公式为：
T(ν)＝∫h(v'－v,T)G(v')dv'
其中：T(ν)即激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率；
h(v'－v,T)为激光雷达分光系统光谱透过率函数；
G(v')为大气分子纯转动拉曼散射谱线波长。
步骤二、根据大气温度廓线获得大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线，公式为：
Figure BDA0003226088700000051
其中：β(ν,z)为大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线，ν代表谱线频率，z为测量高度；
h为普朗克常量，取6.626×10-34J·s；
c为真空光速，取2.998×108m/s；
B为大气分子转动常数，对于氮气分子为1.9895cm-1，对于氧气分子为1.4377cm-1；
q为统计权重因子，对于氮气分子，转动量子数为奇数时为6，偶数时为3，对于氧气分子，转动量子数为奇数时为0，偶数时为1；
X(J)为与转动量子数J有关的常数；
Figure BDA0003226088700000052
I为核自旋量子数，对于氮气分子，该值为1，对于氧气分子，该值为0；
kB为玻尔兹曼常数，取1.38×10-23J/K；
T(z)为高度z处的大气温度，可由测温拉曼激光雷达直接测量获得，或直接使用近地面大气温度结合对流层大气温度随高度的递减规律获得，即：
T(z)＝T0－kTz
其中：T0为近地面大气温度；
kT为对流层大气温度递减常数，取6.489K/km；
Figure BDA0003226088700000061
为与分子极化率张量各向异性有关的常数，对于氮气分子该常数为0.51×10-48cm6，对于氧气分子该常数为1.27×10-48cm6；
E(J)为转动量子数为J的转动能级；对于斯托克斯支拉曼散射：
E(J)＝hc[BJ(J+1)－DJ2(J+1)2]
对于反斯托克斯支拉曼散射：
E(J)＝hc[B(J+2)(J+3)－D(J+2)2(J+3)2]
D为大气分子的偏心常数，对于氮气分子该常数为5.48×10-6cm-1，对于氧气分子该常数为4.85×10-6cm-1。
步骤三、结合激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率与大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线可获得激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线，公式为：
S(ν,z)＝T(ν)×β(ν,z)
其中，S(ν,z)即激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线。
步骤四、结合激光雷达测量所得纯转动拉曼散射廓线信号强度、激光雷达测量所得米-瑞利散射廓线信号强度廓线、激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线、大气分子数密度廓线、大气分子瑞利散射后向散射系数廓线与激光雷达标定常数反演获得气溶胶后向散射系数廓线；根据纯转动拉曼散射激光雷达方程与瑞利-米散射激光雷达方程，对于使用同一孔径光阑同时接收纯转动拉曼散射与瑞利-米散射的激光雷达系统，两激光雷达方程具有相同的几何重叠因子，同时，考虑到纯转动拉曼散射与瑞利-米散射的波长非常接近，认为二者具有相同的大气透过率，将纯转动拉曼散射激光雷达方程与瑞利-米散射激光雷达方程二者相比，可消去几何重叠因子相关项与大气透过率相关项，整理得：
气溶胶后向散射系数廓线公式为：
Figure BDA0003226088700000071
其中：βA(z)为高度z处的气溶胶后向散射系数；
K为标定常数，可与测量气溶胶后向散射系数的标准设备对比标定获得；
WM(z)为激光雷达测量所得米-瑞利散射廓线信号强度；
S(ν,z)为激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线；
N(z)为大气分子数密度廓线，由下式获得：
Figure BDA0003226088700000072
式中：P(z)为高度z处的大气压强，可由下式获得：
Figure BDA0003226088700000073
P0为近地面大气压强，可由地面设备测量获得；
m0为多方指数，取1.235；
μ为空气的摩尔质量，取28.96g/mol；
g为重力加速度，取9.8N/kg；
R为气体常数，取8.314J/(mol·K)
AV为阿伏伽德罗常数，取6.02×1023；
WR(z)为激光雷达测量所得纯转动拉曼散射廓线信号强度；
βM(z)为大气分子瑞利散射后向散射系数廓线，由下式获得：
Figure BDA0003226088700000081
式中：λ为光波长；
n(λ，z)为波长λ的光，在高度z处的大气折射率，可由下式获得：
Figure BDA0003226088700000082
式中：ns为标准大气条件下的大气折射率，如下：
Figure BDA0003226088700000083
步骤五、结合气溶胶激光雷达比与气溶胶后向散射系数廓线即可获得气溶胶消光系数廓线，气溶胶消光系数廓线公式为：
αA(z)＝SA×βA(z)
其中：αA(z)为高度z处的气溶胶消光系数；
SA为气溶胶激光雷达比，气溶胶激光雷达比取值范围通常在20～100之间，可根据地面能见度传感器、太阳光度计等设备所测气溶胶相关信息对比获取；
βA(z)为高度z处的气溶胶后向散射系数。
本发明未详述部分为现有技术。
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (6)

1.一种拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，其特征是：包括以下步骤：
步骤一、根据大气分子纯转动拉曼散射谱线波长与激光雷达分光系统光谱透过率函数获得激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率；
步骤二、根据大气温度廓线获得大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线；
步骤三、结合步骤一与步骤二，获得激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线；
步骤四、结合激光雷达测量所得纯转动拉曼散射廓线信号强度、激光雷达测量所得米-瑞利散射廓线信号强度廓线、激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线、大气分子数密度廓线、大气分子瑞利散射后向散射系数廓线与激光雷达标定常数反演获得气溶胶后向散射系数廓线；
步骤五、结合气溶胶激光雷达比与气溶胶后向散射系数廓线即可获得气溶胶消光系数廓线。
2.根据权利要求1所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，其特征是：步骤一中，激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率公式为：
T(ν)＝∫h(v'－v,T)G(v')dv'
其中：T(ν)即激光雷达对各纯转动拉曼谱线的提取效率；
h(v'－v，T)为激光雷达分光系统光谱透过率函数；
G(v')为大气分子纯转动拉曼散射谱线波长。
3.根据权利要求1所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，其特征是：步骤二中，根据大气温度廓线获得大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线的公式为：
Figure FDA0003226088690000021
其中：β(ν,z)为大气分子纯转动拉曼散射谱线后向散射截面强度廓线，ν代表谱线频率，z为测量高度；h为普朗克常量；c为真空光速；B为大气分子转动常数；q为统计权重因子；X(J)为与转动量子数J有关的常数；I为核自旋量子数；kB为玻尔兹曼常数；T(z)为高度z处的大气温度；
Figure FDA0003226088690000022
为与分子极化率张量各向异性有关的常数；E(J)为转动量子数为J的转动能级；D为大气分子的偏心常数。
4.根据权利要求1所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，其特征是：步骤三中，获得激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线的公式为：
S(ν,z)＝T(ν)×β(ν,z)
其中，S(ν,z)即激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线。
5.根据权利要求1所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，其特征是：步骤四中，气溶胶后向散射系数廓线公式为：
Figure FDA0003226088690000023
其中：βA(z)为高度z处的气溶胶后向散射系数；
K为标定常数；
WM(z)为激光雷达测量所得米-瑞利散射廓线信号强度；
S(ν,z)为激光雷达提取的纯转动拉曼光谱后向散射截面强度廓线；
N(z)为大气分子数密度廓线；
WR(z)为激光雷达测量所得纯转动拉曼散射廓线信号强度；
βM(z)为大气分子瑞利散射后向散射系数廓线。
6.根据权利要求1所述的拉曼-米散射激光雷达气溶胶消光系数廓线反演算法，其特征是：步骤五中，气溶胶消光系数廓线公式为：
αA(z)＝SA×βA(z)
其中：αA(z)为高度z处的气溶胶消光系数；
SA为气溶胶激光雷达比；
βA(z)为高度z处的气溶胶后向散射系数。
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