CN114167448A - 一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法 - Google Patents

一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，在待测区域水平和垂直点分别布设激光雷达，利用两台激光雷达联合观测，一台用于垂直定点观测，获取大气边界层结构和污染传输时空分析，一台用于水平扫描，获取本区域内污染分布特征，并就水平扫描激光雷达基于Collis方法获取消光系数，将该消光系数作为初始值作为垂直激光雷达消光系数的标定，实现探测方式的优势互补，最终实现对区域污染分布进行时空立体监测，得到立体空间气溶胶消光系数分布特征，并能够有效地揭示城市地区较大区域内的颗粒物分布和传输情况，实现以三维数据分析颗粒物的传输、分布和浓度变化情况，具有覆盖范围大、探测效率高的优点。

Description

一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法
技术领域
本发明涉及大气监测技术领域，具体为一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法。
背景技术
城市大气颗粒物污染不仅影响着局地的空气质量和人类的健康，污染物的生成输送过程也会影响区域乃至全球的气候变化，城市的大气颗粒物污染已呈现出了显著的区域性特征。但目前，国内外大多数对大气颗粒物的探测研究仍主要以地基定点探测为主，且探测范围主要集中在近地面层，不能满足对区域大气颗粒物的空间立体探测研究的需要，在区域尺度上大气颗粒物的空间立体实时探测成为发展趋势，所以急需一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种利用两台激光雷达联合观测，实现探测方式的优势互补，最终实现对区域污染分布进行时空立体监测的基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，来解决上述现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，包括如下步骤：
S1、在待测区域水平和垂直点分别布设激光雷达，获取水平激光雷达和垂直激光雷达的回波信号数据；
S2、利用Collis方法和fernald方法反演水平激光雷达的回波信号数据，获取水平消光系数；
S3、基于水平消光系数作为标定值，代入fernald方法中获取垂直消光系数；
S4、基于水平消光系数和垂直消光系数得到大气垂直结构和水平扫描污染分布。
优选的，在步骤S1中，所述激光雷达包括激光发射模块、接收光路模块、信号采集模块和云台转动模块，其中，所述激光发射模块包括激光器，所述激光器发射脉冲激光信号，依次经过扩束镜和半波片反射镜，实现收发同轴，接收光路模块包括接收望远镜、小孔、准直镜、会聚镜、窄带滤光片和偏振分束镜，散射信号依次经过望远镜、小孔、准直镜和滤光片，并通过分束镜被分成平行、垂直两路偏振光并分别进入信号采集模块，信号采集模块包括两个光电探测器和采集卡，电探测器将光子信号转化为电信号并传输至采集卡，云台转动模块包括云台三脚架和转动支架。
优选的，激光器的重复频率为5000Hz,最小时间分辨率为1s，接收望远镜采用150mm口径的望远镜，其接收视场角为0.3mrad。
优选的，水平激光雷达的扫描有效范围覆盖垂直激光雷达站点位置。
优选的，在步骤S1中，水平扫描激光雷达扫描时间分辨率为1-3s，两个所述激光雷达间隔在3km。
优选的，在步骤S1中，对获取的回波信号数据进行预处理，包括对回波信号数据进行背景去噪、系统常数订正、距离平方修正、滑动去噪、几何重叠因子订正处理，获得衰减后向散射信号。
优选的，步骤S2中，Collis方法具体为：令S(r)＝ln[Z2P(r)]，带入
Figure BDA0003360260940000021
中，获得
Figure BDA0003360260940000022
其中，P为激光雷达回波信号强度功率；r代表探测距离；E为激光雷达固定参数；C为矫正常数，β为大气总后向散射系数；σ为大气总消光系数，Z为探测距离；S为距离平方修正信号对数。
优选的，将获得衰减后向散射信号，以固定的拟合步长对整条廓线进行分段滑动拟合，拟合过程中返回拟合相关系数以及拟合消光值、对应的参考高度和信噪比，在信噪比大于阈值时，选择对应的消光系数值作为初始值，并取初始消光系数所在拟合区域的中间高度值，以该处高度作为参考高度。
优选的，利用Fernald方法以标定高度为基准做后向积分和前向积分，其中：后向积分：
Figure BDA0003360260940000031
前向积分：
Figure BDA0003360260940000032
其中，rc为标定高度，Sa＝αa(r)/βa(r)，Sm＝αm(r)/βm(r)＝8π/3，空气分子的消光系数αm通过使用温压湿标准大气模式，获得空气分子的密度，再由分子瑞利散射理论计算获得，大气气溶胶消光系数边界值αa(rc)由大气气溶胶散射比1+βa(rc)/βm(rc)来确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明中在待测区域水平和垂直点分别布设激光雷达，利用两台激光雷达联合观测，一台用于垂直定点观测，获取大气边界层结构和污染传输时空分析，一台用于水平扫描，获取本区域内污染分布特征，并就水平扫描激光雷达基于Collis方法获取消光系数，将该消光系数作为初始值作为垂直激光雷达消光系数的标定，实现探测方式的优势互补，最终实现对区域污染分布进行时空立体监测，得到立体空间气溶胶消光系数分布特征，并能够有效地揭示城市地区较大区域内的颗粒物分布和传输情况，实现以三维数据分析颗粒物的传输、分布和浓度变化情况，具有覆盖范围大、探测效率高的优点。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明激光雷达系统光路图；
图2是本发明的光雷达联合观测布局图；
图3是本发明基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图所示，一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，包括如下步骤：
S1、在待测区域水平和垂直点分别布设激光雷达，同时上电观测，两台雷达相距3km左右，对于水平雷达扫描模块各项参数选择扫描模式，以方位角步进1°进行水平扫描，每个角度积分10000个脉冲信号，获取水平激光雷达和垂直激光雷达的回波信号数据；
其中，激光雷达包括激光发射模块、接收光路模块、信号采集模块和云台转动模块，其中，所述激光发射模块包括激光器，所述激光器发射脉冲激光信号，依次经过扩束镜和半波片反射镜，实现收发同轴，接收光路模块包括接收望远镜、小孔、准直镜、会聚镜、窄带滤光片和偏振分束镜，散射信号依次经过望远镜、小孔、准直镜和滤光片，并通过分束镜被分成平行、垂直两路偏振光并分别进入信号采集模块，信号采集模块包括两个光电探测器和采集卡，电探测器将光子信号转化为电信号并传输至采集卡，云台转动模块包括云台三脚架和转动支架；
本实施例中，水平扫描激光雷达扫描时间分辨率为1-3s，激光器的重复频率为5000Hz，波长为532nm，脉冲能量为500μj,最小时间分辨率为1s，接收望远镜采用150mm口径的望远镜，其接收视场角为0.3mrad，光电探测器为H10682-110型号的光电探测器，目标探测距离为R＝6Km,即目标旨在获取6Km半径以内的三维立体气溶胶分布特征，采样频率为50MHz,即最小距离分辨率达到3m，采样点为5000个点，即获取到15Km以内的信号，确保水平激光雷达的扫描有效范围覆盖垂直激光雷达站点位置。
对于获取的回波信号数据进行预处理，包括对回波信号数据进行背景去噪、系统常数订正、距离平方修正、滑动去噪、几何重叠因子订正处理，获得衰减后向散射信号。
S2、利用Collis方法和fernald方法反演水平激光雷达的回波信号数据，获取水平消光系数；
其中，将获得衰减后向散射信号，以固定的拟合步长对整条廓线进行分段滑动拟合，拟合过程中返回拟合相关系数以及拟合消光值、对应的参考高度和信噪比，在信噪比大于阈值时，选择对应的消光系数值作为初始值，并取初始消光系数所在拟合区域的中间高度值，以该处高度作为参考高度，
Collis方法具体为：令S(r)＝ln[Z2P(r)]，带入
Figure BDA0003360260940000061
中，变为：
Figure BDA0003360260940000062
其中，S＝S(r),S0＝S(r0),β0＝β(r0)，r0为参考高度，上式的微分形式为：
Figure BDA0003360260940000063
即可得到大气均匀条件下消光系数值：
Figure BDA0003360260940000064
其中，P为激光雷达回波信号强度功率；r代表探测距离；E为激光雷达固定参数；C为矫正常数，β为大气总后向散射系数；σ为大气总消光系数，Z为探测距离；S为距离平方修正信号对数；
S3、基于水平消光系数作为标定值，代入fernald方法中获取垂直消光系数；
其中，利用Fernald方法以标定高度为基准做后向积分和前向积分，其中：后向积分：
Figure BDA0003360260940000065
前向积分：
Figure BDA0003360260940000066
其中，rc为标定高度，是通过选取近乎不含大气气溶胶粒子的清洁大气层所在的高度来确定，这个高度上的P(r)r2/βm值最小，Sa＝αa(r)/βa(r)，对于532nm波长，Sa＝50，Sm＝αm(r)/βm(r)＝8π/3，空气分子的消光系数αm通过使用温压湿标准大气模式，获得空气分子的密度，再由分子瑞利散射理论计算获得，大气气溶胶消光系数边界值αa(rc)由大气气溶胶散射比1+βa(rc)/βm(rc)来确定，其中，532nm波长时1+βa(rc)/βm(rc)＝1.01。
S4、基于水平消光系数和垂直消光系数得到大气垂直结构和水平扫描污染分布。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、在待测区域水平和垂直点分别布设激光雷达，获取水平激光雷达和垂直激光雷达的回波信号数据；
S2、利用Collis方法和fernald方法反演水平激光雷达的回波信号数据，获取水平消光系数；
S3、基于水平消光系数作为标定值，代入fernald方法中获取垂直消光系数；
S4、基于水平消光系数和垂直消光系数得到大气垂直结构和水平扫描污染分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，其特征在于：在步骤S1中，所述激光雷达包括激光发射模块、接收光路模块、信号采集模块和云台转动模块，其中，所述激光发射模块包括激光器，所述激光器发射脉冲激光信号，依次经过扩束镜和半波片反射镜，实现收发同轴，接收光路模块包括接收望远镜、小孔、准直镜、会聚镜、窄带滤光片和偏振分束镜，散射信号依次经过望远镜、小孔、准直镜和滤光片，并通过分束镜被分成平行、垂直两路偏振光并分别进入信号采集模块，信号采集模块包括两个光电探测器和采集卡，电探测器将光子信号转化为电信号并传输至采集卡，云台转动模块包括云台三脚架和转动支架。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，其特征在于：激光器的重复频率为5000Hz,最小时间分辨率为1s，接收望远镜采用150mm口径的望远镜，其接收视场角为0.3mrad。
4.根据权利要求3所述的一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，其特征在于：水平激光雷达的扫描有效范围覆盖垂直激光雷达站点位置。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，其特征在于：在步骤S1中，水平扫描激光雷达扫描时间分辨率为1-3s，两个所述激光雷达间隔在3km。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，其特征在于：在步骤S1中，对获取的回波信号数据进行预处理，包括对回波信号数据进行背景去噪、系统常数订正、距离平方修正、滑动去噪、几何重叠因子订正处理，获得衰减后向散射信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，其特征在于：步骤S2中，Collis方法具体为：令S(r)＝ln[Z2P(r)]，带入
Figure FDA0003360260930000021
中，获得
Figure FDA0003360260930000022
其中，P为激光雷达回波信号强度功率；r代表探测距离；E为激光雷达固定参数；C为矫正常数，β为大气总后向散射系数；σ为大气总消光系数，Z为探测距离；S为距离平方修正信号对数。
8.根据权利要求6所述的一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，其特征在于：将获得衰减后向散射信号，以固定的拟合步长对整条廓线进行分段滑动拟合，拟合过程中返回拟合相关系数以及拟合消光值、对应的参考高度和信噪比，在信噪比大于阈值时，选择对应的消光系数值作为初始值，并取初始消光系数所在拟合区域的中间高度值，以该处高度作为参考高度。
9.根据权利要求6所述的一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法，其特征在于：利用Fernald方法以标定高度为基准做后向积分和前向积分，其中：后向积分：
Figure FDA0003360260930000031
前向积分：
Figure FDA0003360260930000032
其中，rc为标定高度，Sa＝αa(r)/βa(r)，Sm＝αm(r)/βm(r)＝8π/3，空气分子的消光系数αm通过使用温压湿标准大气模式，获得空气分子的密度，再由分子瑞利散射理论计算获得，大气气溶胶消光系数边界值αa(rc)由大气气溶胶散射比1+βa(rc)/βm(rc)来确定。
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