CN114545361A - 用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法和装置 - Google Patents

用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法和装置 Download PDF

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CN114545361A CN202210195772.XA CN202210195772A CN114545361A CN 114545361 A CN114545361 A CN 114545361A CN 202210195772 A CN202210195772 A CN 202210195772A CN 114545361 A CN114545361 A CN 114545361A
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Abstract

本发明涉及用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法和装置，方法包括：确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度；其中，所述预设高度范围是以寻找大气清洁层为依据设定的；所述预设高度范围内的各高度，是以预设高度范围最高高度为起点，并以激光雷达分辨率为间隔步长选定的；基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度。本发明给出了适用范围广、成本低廉且简单有效的确定激光雷达方程参考高度的方法，进而推进激光雷达观测气溶胶垂直廓线的发展。

Description

用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法和装置
技术领域
本发明涉及大气气溶胶遥感激光雷达技术领域，尤其涉及用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法和装置。
背景技术
气溶胶是指大气中悬浮的固体或液体粒子，它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。激光雷达早已用于气溶胶的观测，但是直到现在长时间精确的气溶胶垂直廓线依然难以确定，究其原因复杂多变的大气状态干扰了气溶胶观测，还有一个重要原因是反演方法的非自动性。具体来讲用于反演气溶胶垂直廓线的激光雷达主要分为两类，一类是仅弹性通道的激光雷达，因为其能量小又称为微脉冲激光雷达 (MPL)；另一类是同时含有弹性和非弹性的拉曼激光雷达(RL)。无论那种激光雷达，建立的激光雷达方程均需要确定一个具备已知的气溶胶后向散射系数或消光系数的参考高度，这个参考高度决定着反演的气溶胶垂直廓线的准确性。
现有技术主要采用远端方案确定参考高度，即在对流层顶(远端) 选择一个固定的高度，该高度几乎不含气溶胶后向散射系数为0，以该高度作为参考高度进行精确的气溶胶垂直廓线反演；但是这种方法对于能量弱的激光雷达系统或者污染较重高空信噪比很低的情况不适用。因此，需要在对流层范围中找到“清洁层”并在清洁层中进行参考高度的选定。
目前，主要有两种方案能在“清洁层”中选定参考高度，一种方案是比较拉曼通道和弹性通道的信号，比值为常数的高度认为仅有空气分子的后向散射，即不含气溶胶，这个高度可以认定为参考高度，这个原理是因为Raman通道后向散射仅代表大气分子，如果弹性通道信号与之成比例，则代表弹性通道也只有大气分子的作用，这样就认为对应高度没有气溶胶。但是这种方案有两个缺陷，(1)不能用于仅有弹性通道的微脉冲激光雷达；(2)由于两个通道在高空的信噪比不同，往往很难找到比值为常数的位置。另一种方案是分子订正法，将观测得到的信号廓线和模拟仅有大气分子获得的信号廓线进行比较，两者一致的高度认为没有气溶胶，这个高度可以认定为参考高度，但是这种方案是需要知道实时大气气压廓线，这个不易实现，尤其在天气系统过境的时候，大气状态变化大，观测和模式都不易得到准确的大气气压廓线。
总之，现有技术中很难选择出合适的参考高度，进而难以反演出准确的气溶胶垂直廓线。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法和装置，以解决现有技术中很难选择出合适的参考高度来准确地反演出气溶胶垂直廓线的难题，使激光雷达方程参考高度得以通过简单方式确定。
第一个方面，本发明实施例提供一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，包括：
确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度；其中，所述预设高度范围是以寻找大气清洁层为依据设定的；所述预设高度范围内的各高度，是以预设高度范围最高高度为起点，并以激光雷达分辨率为间隔步长选定的；
基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度。
根据本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，所述确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度之前，还包括：
对预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号进行背景噪声订正；
将经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号分别进行信噪比计算以及距离订正，对应得到预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值。
根据本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，所述将经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号进行距离订正，对应得到预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的距离订正值，包括：
计算经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号与相应高度的平方的乘积，并将所述乘积作为预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的距离订正值。
根据本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，所述预设条件为：激光雷达回波信号的信噪比大于预设信噪比阈值且激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差小于预设距离订正阈值的归一化标准差。
根据本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，所述基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度，包括：
将所述高度进行降序排列；
从降序序列的首个高度开始，以反演后向散射系数廓线的方式验证所述降序序列中的高度，直至找到验证通过的高度；
将验证通过的高度作为激光雷达方程参考高度。
根据本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，所述以反演后向散射系数廓线的方式验证所述降序序列中的高度，包括：
对于降序序列中的任一高度，以所述高度为中心，以K倍的激光雷达分辨率为间隔，向上以及向下各选取M个高度，得到2M+1个高度；
分别按照2M+1个高度进行后向散射系数廓线反演，得到2M+1条后向散射系数廓线；
分别获取2M+1条后向散射系数廓线在激光雷达的近端高度处的后向散射系数；
计算所有的后向散射系数的标准差；
在所述标准差小于预设标准差阈值的情况下，认定所述高度验证通过；反之，认定所述高度验证不通过；
其中，所述K、M均为预先设定的正整数；所述激光雷达的近端高度为激光雷达的近端盲区外第1个有效数据对应的高度。
根据本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，所述激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差，具体通过以下公式计算：
Figure BDA0003527123330000041
Figure BDA0003527123330000042
其中，x表示高度，n表示预设值，NSD(x)表示预设高度范围内高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差，
Figure BDA0003527123330000043
表示预设高度范围内高度x前后2n+1个高度处激光雷达回波信号距离订正值的平均值，dz表示激光雷达分辨率，i表示计数，RCS(x)表示预设高度范围内高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值。
第二方面，本发明提供一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定装置，所述装置包括：
第一确定模块，用于确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度；其中，所述预设高度范围是以寻找大气清洁层为依据设定的；所述预设高度范围内的各高度，是以预设高度范围最高高度为起点，并以激光雷达分辨率为间隔步长选定的；
第二确定模块，用于基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法。
第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法。
本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法和装置，通过确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度，给出参考高度的一个选定范围；基于选定范围，以反演后向散射系数廓线的方式从选定范围选择出参考高度。方法适用范围广、成本低廉且简单有效，能够很好的推进激光雷达观测气溶胶垂直廓线的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法流程图；
图2是本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定装置结构图；
图3是本发明提供的实现用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
大气气溶胶的观测手段很多，包括天基、空基和地基，但气溶胶的辐射效应及微物理效应依然探究的不够清楚，主要原因有两个一是缺乏气溶胶光学及微物理参数的垂直结构，二是对气溶胶和云的相互作用机理研究不清楚。当前，利用激光雷达反演气溶胶垂直廓线是实现气溶胶的观测的必要手段，用于反演气溶胶垂直廓线的激光雷达主要分为两类，一类是仅弹性通道的激光雷达，因为其能量小又称为微脉冲激光雷达(MPL)；另一类是同时含有弹性和非弹性的拉曼激光雷达(RL)。无论那种激光雷达，都需要建立激光雷达方程，且建立的激光雷达方程均需要确定一个具备已知的气溶胶后向散射系数或消光系数的参考高度，这个参考高度决定着反演的气溶胶垂直廓线的准确性。
其中，所述激光雷达方程，具体表示形式如下：
Figure BDA0003527123330000071
其中，Raw(z)表示高度z处的激光雷达回波信号，O(z)表示激光雷达系统在高度z处的重叠区订正因子，K表示激光雷达系统相关的常数，αaer(ξ)表示高度ξ处的激光雷达回波信号的波长对应的气溶胶的消光系数，βaer(z)表示高度z处激光雷达回波信号的波长对应的气溶胶的后向散射系数，αmol(ξ)表示高度ξ处激光雷达回波信号的波长对应的大气分子的消光系数，βmol(z)表示高度z处激光雷达回波信号的波长对应的大气分子的后向散射系数，z表示参考高度。
用于反演计算的高度z我们称之为参考高度，因此确定高度z是至关重要的，但是现有技术中很难选择出合适的参考高度z，鉴于此，本发明提供了一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法和装置，其具备适用范围广(微脉冲激光雷达和拉曼激光雷达)，成本低廉且简单有效的特定，可以很好地推进激光雷达观测气溶胶垂直廓线的发展。
下面结合图1-图3描述本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法和装置。
第一方面，如图1所示，本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，包括：
S11：确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度；其中，所述预设高度范围是以寻找大气清洁层为依据设定的；所述预设高度范围内的各高度，是以预设高度范围最高高度为起点，并以激光雷达分辨率为间隔步长选定的；
在本发明技术领域中，一般在近乎不含气溶胶粒子的大气清洁层中选取激光雷达方程参考高度，大气清洁层一般在对流层顶层附近，具体高度范围需要寻找才可确定。本发明将4km到10km的高度范围作为预设高度范围，在此高度范围中寻找大气清洁层，为后续确定参考高度提供方便。
此外，本发明设定预设条件，并排除激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值不满足预设条件的高度，这些高度处于高空、云层上方、云层或气溶胶层等大气层，明显不能作为激光雷达方程参考高度所在位置；留下的满足预设条件的高度可以作为激光雷达方程参考高度候选集合，以便进一步的确定激光雷达方程参考高度。
还需要注意的是，激光雷达分辨率，不同的激光雷达可能会由不同的选值，例如选择30m。
S12：基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度。
在本发明技术领域中，每一个高度可以反演出一条后向散射系数廓线，清洁层中一个高度附近的几个高度反演出的后向散射系数廓线相差不会太过明显，本发明抓住此特点确定出激光雷达方程参考高度。
本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，通过确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度，给出参考高度的一个选定范围；基于选定范围，以反演后向散射系数廓线的方式从选定范围选择出参考高度。方法适用范围广、成本低廉且简单有效，能够很好的推进激光雷达观测气溶胶垂直廓线的发展。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度之前，还包括：
对预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号进行背景噪声订正；
为保证本发明结果的准确性，需要消除背景噪声对激光雷达回波信号造成的影响；
对预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号进行背景噪声订正，具体通过以下公式实现：
Data(x)＝Raw(x)-BG
其中，Data(x)表示经过背景噪声订正的预设高度范围内高度x处激光雷达回波信号，Raw(x)表示预设高度范围内高度x处激光雷达回波信号，BG表示均为噪声处激光雷达回波信号的信号均值，均为噪声处例如最远端5km处。这里的信号均值是对均为噪声处的前后几个高度处激光雷达回波信号取平均得来的。
将经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号分别进行信噪比计算以及距离订正，对应得到预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值。
在本发明技术领域中，将经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号分别进行信噪比计算，具体通过以下公式实现：
SNR(x)＝Data(x)/(Data(x)+ΔBG)
其中，SNR(x)表示高度x处的激光雷达回波信号的信噪比。 Data(x)表示背景噪声订正后高度x处的激光雷达回波信号，ΔBG表示背景噪声的方差；计算出的信噪比会在0到1之间。
因为有云区域、低空区域、高空区域和云层上方区域等区域的信噪比具备不同的表征，例如有云区域和低空区域的信噪比比较高，信噪比值会趋于1；高空区域和云层上方区域信噪比比较低，信噪比值会趋于0；因此通过分析各高度处激光雷达回波信号的信噪比可以大致确定各高度所处的大气层，比如：云层、气溶胶层等，进而可以帮助识别大气清洁层。
此外，激光雷达回波信号在传输过程中会才生一定的衰减，因此需对各高度处激光雷达回波信号进行距离订正，以使因距离传输衰减的激光雷达回波信号得以修正。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述将经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号进行距离订正，对应得到预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的距离订正值，包括：
计算经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号与相应高度的平方的乘积，并将所述乘积作为预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的距离订正值。
通常情况下，如果高度x在低空，则高度x处的激光雷达回波信号 NSD(x)较小，如果高度x在高空或者有云的区域，则高度x处的激光雷达回波信号NSD(x)较大。
在本发明技术领域中，以Data(x)与x2的乘积为高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值，消除了回波信号远距离传输的衰减对确定激光雷达方程参考高度造成的影响，提高激光雷达方程参考高度的准确性。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述预设条件为：激光雷达回波信号的信噪比大于预设信噪比阈值且激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差小于预设距离订正阈值的归一化标准差。
需要注意的是，预设信噪比阈值SNR0和预设距离订正阈值的归一化标准差NSD0，都是根据工程经验选定的。
如果高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差 NSD(x)大于预设距离订正阈值的归一化标准差NSD0，说明高度x处激光雷达回波信号背景噪音的方差比较大，一般是云层或气溶胶层。如果高度x处的激光雷达回波信号的信噪比SNR(x)小于预设信噪比阈值SNR0，说明高度x处的激光雷达回波信号的信噪比太低，一般是高空或云层上方；上述区域均不能作为激光雷达方程参考高度所在位置，因此基于预设条件可以确定激光雷达方程参考高度候选集合，以便进一步的选择出激光雷达方程参考高度。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度，包括：
将所述高度进行降序排列；
在本发明技术领域中，期望从尽可能高的地方找到清洁层，进而找到激光雷达方程参考高度的最佳状态，因此对所述高度进行由高到低的排序，以便后续按照由高到低的顺序依次考察所述高度，找到最理想的激光雷达方程参考高度。
从降序序列的首个高度开始，以反演后向散射系数廓线的方式验证所述降序序列中的高度，直至找到验证通过的高度；
本发明中，反演后向散射系数廓线的方式为现有技术，对于仅有弹性通道的激光雷达回波信号，用Klett在1981年论文中提出的方法；对于含有拉曼通道的激光雷达回波信号，用Ansmann在1992年论文中提出的方法。
将验证通过的高度作为激光雷达方程参考高度。
需要注意的是，如果在4-10km内没有找到合适的高度x作为参考高度(即不存在验证通过的高度)，则认为当时的激光雷达回波信号没有合适的参考高度。
本实施例通过利用后向散射系数廓线反演技术进行激光雷达方程参考高度的选择，适用范围广、成本低廉且简单有效。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述以反演后向散射系数廓线的方式验证所述降序序列中的高度，包括：
对于降序序列中的任一高度，以所述高度为中心，以K倍的激光雷达分辨率为间隔，向上以及向下各选取M个高度，得到2M+1个高度；
假设M设定为2，K设定为5，对于降序序列中的任一高度x,就会以x-10dz,x-5dz,x,x+5dz和x+10dz为参考高度反演5条后向散射系数廓线；
通常，对于降序序列中的任一高度x，如果高度x处于清洁层，以其为中心得到的2M+1个高度，并以2M+1个高度反演出来的后向散射系数廓线应该基本一致，如果高度x处于云层、气溶胶层或过度区域，以2M+1个高度反演出来的后向散射系数廓线差异较大。因此我们可以根据2M+1个高度反演出来的后向散射系数廓线的差异来决定是否是清洁层。
需要注意的是，上述示例以5dz为间隔进行高度选择，也可根据实际情况调整，但间隔过大或间隔过小都会影响判断。如果间隔过大，则可能跨越清洁层，导致2M+1个条后向散射系数廓线差异过大影响判断；如果间隔过小，可能导致2M+1个条后向散射系数廓线差异不明显，进而将非清洁层作为清洁层。
此外，上述示例中选用5个高度反演得到5条后向散射系数廓线，也可以根据需求进行调整后向散射系数廓线的条数，其目只是比较这些后向散射系数廓线的差异。
分别按照2M+1个高度进行后向散射系数廓线反演，得到2M+1条后向散射系数廓线；
在本发明技术领域中，一个高度可以反演出一条后向散射系数廓线，反演采用的算法可以基于选用的激光雷达自行选定。
分别获取2M+1条后向散射系数廓线在激光雷达的近端高度处的后向散射系数；
在本发明中，激光雷达的近端高度指的是激光雷达的近端盲区外第1个有效数据对应的高度，也就是与地面最近的有效数据获取高度，例如200m。
计算所有的后向散射系数的标准差；
这里，我们用2M+1个后向散射系数的标准差来衡量2M+1条后向散射系数廓线的差异。
在所述标准差小于预设标准差阈值的情况下，认定所述高度验证通过；反之，认定所述高度验证不通过；
在本发明技术领域中，预设标准差阈值是基于实际工况选定的。标准差小于预设标准差阈值就可以认定2M+1条后向散射系数廓线基本一致，即可以认定对应的高度处于清洁层，这样的情况下，对应的高度即可作为激光雷达方程参考高度。
其中，所述K、M均为预先设定的正整数；所述激光雷达的近端高度为激光雷达的近端盲区外第1个有效数据对应的高度。
本发明实施例抓住清洁层中一个高度附近的几个高度反演出的后向散射系数廓线相差不会太过明显的特征，并基于该特征确定出激光雷达方程参考高度，方法简单，且结果准确。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差，具体通过以下公式计算：
Figure BDA0003527123330000131
Figure BDA0003527123330000132
其中，x表示高度，n表示预设值，NSD(x)表示预设高度范围内高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差，
Figure BDA0003527123330000133
表示预设高度范围内高度x前后2n+1个高度处激光雷达回波信号距离订正值的平均值，dz表示激光雷达分辨率，i表示计数，RCS(x)表示预设高度范围内高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值。
在本发明中，n可以取值为2；n的取值可以根据激光雷达的性能调整，如果激光雷达信号较弱，n的取值可适当增大。
为了便于理解本发明用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，按照下述操作流程对本发明进一步阐述。
步骤1：将激光雷达回波信号Raw(z)进行背景噪声订正，得到 Data(x)；
其中，订正公式如下：
Data(x)＝Raw(x)-BG
式中，BG代表着最远端5km处的信号均值，此处信号均为噪声； x代表着高度。
步骤2：每个高度计算信噪比：
SNR(x)＝Data(x)/(Data(x)+ΔBG)
其中，SNR(x)表示高度x处的激光雷达回波信号的信噪比，ΔBG 表示背景噪声的方差，根据这个公式计算出的信噪比会在0到1之间。对于有云或低空信噪比高的区域，SNR(z)趋于1；对于云上方或者高空信噪比低区域，SNR(z)趋于0。
将Data(x)乘以x2，得到RCS(x)，然后计算其归一化标准差：
Figure BDA0003527123330000141
Figure BDA0003527123330000142
其中，x表示高度，n表示预设值，
Figure BDA0003527123330000143
代表着高度x前后2n+1个高度处激光雷达回波信号的距离订正值的平均值，dz表示激光雷达分辨率，i表示计数，RCS(x)代表着高度x处激光雷达回波信号的距离订正值，NSD(x)代表着高度x处激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差。我们计算过程中n取值为2，n的取值可以根据激光雷达的性能调整，如果激光雷达信号较弱，n的取值可适当增大。通常情况下，NSD(x)在低空较小，高空较大；在有云的区域，NSD(x)也较大。
步骤3：设定信噪比阈值SNR0和预设距离订正阈值的归一化标准差NSD0。从10km开始搜索，令x＝10km，如果NSD(x)小于NSD0并且 SNR(x)大于SNR0，进入步骤4；否则，令x＝x-dz，步骤3；
说明：如果SNR(x)不大于SNR0，说明高度x处信噪比太低，一般是高空或云层上方；如果NSD(x)不小于NSD0，说明高度x处信号背景噪声方差较大，一般是云层或气溶胶层。以上区域或高度都不能作为边界条件高度，
步骤4：对于满足步骤3的高度x，以x-10dz,x-5dz,x,x+5dz和 x+10dz为高度反演5条后向散射系数廓线；
对于仅有弹性通道的激光雷达回波信号，用Klett在1981年论文中提出的方法；对于含有拉曼通道的激光雷达回波信号，用Ansmann在 1992年论文中提出的方法。
说明：通常清洁层里面，选用任意高度反演出来的后向散射系数廓线应该一致；云层、气溶胶层或过度区域，不同高度反演出来的后向散射系数廓线差异较大。
我们可以根据5条后向散射系数廓线的差异来决定是否是清洁层。本发明中5个高度之间间隔为5dz，也可根据实际情况调整，但过大或过小都会影响判断。如果过大，则可能跨越清洁层，导致5条后向散射系数廓线差异过大，影响判断；如果过小，可能导致5条后向散射系数廓线差异不明显，进而将非清洁层作为清洁层。
另外，本发明选用5个高度反演得到5条后向散射系数廓线，也可以根据需求进行调整后向散射系数廓线的条数，其目只是利用这些后向散射系数廓线的差异来决定x是否可以作为参考高度。
步骤5：计算步骤4中5条后向散射系数廓线近端某一高度(激光雷达近端盲区外第1个有效数据的高度，例如200m)处后向散射系数的归一化标准差，若果标准差小于5％，我们认为5条后向散射系数廓线一致，将参考高度设为x，搜索结束；如果5条后向散射系数廓线不一致，令x＝x-dz，并返回步骤3。
需要说明的是，如果在4-10km内没有找到合适的x作为参考高度，则认为当时观测数据没有合适的参考高度。
第二方面，对本发明提供的用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定装置进行鸟叔，下文描述的用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定装置与上文描述的用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法可相互对应参照，图2示例了一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定装置结构图，如图2所示，该装置包括：第一确定模块21和第二确定模块22；
其中，所述第一确定模块，用于确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度；其中，所述预设高度范围是以寻找大气清洁层为依据设定的；所述预设高度范围内的各高度，是以预设高度范围最高高度为起点，并以激光雷达分辨率为间隔步长选定的；
所述第二确定模块，用于基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度。
本发明提供的一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定装置，通过确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度，给出参考高度的一个选定范围；基于选定范围，以反演后向散射系数廓线的方式从选定范围选择出参考高度。方法适用范围广、成本低廉且简单有效，能够很好的推进激光雷达观测气溶胶垂直廓线的发展。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述装置还包括预处理模块；所述预处理模块，包括：背景噪声订正单元和信噪比计算和距离订正单元；
其中，所述背景噪声订正单元，用于对预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号进行背景噪声订正；
所述距离订正单元，用于将经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号分别进行信噪比计算以及距离订正，对应得到预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述距离订正单元，包括：
计算子单元，用于计算经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号与相应高度的平方的乘积，并将所述乘积作为预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的距离订正值。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述预设条件为：激光雷达回波信号的信噪比大于预设信噪比阈值且激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差小于预设距离订正阈值的归一化标准差。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述第二确定模块，包括：
降序排列单元，用于将所述高度进行降序排列；
验证单元，用于从降序序列的首个高度开始，以反演后向散射系数廓线的方式验证所述降序序列中的高度，直至找到验证通过的高度；
将验证通过的高度作为激光雷达方程参考高度。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述验证单元，包括：
选取子单元，用于对于降序序列中的任一高度，以所述高度为中心，以K倍的激光雷达分辨率为间隔，向上以及向下各选取M个高度，得到2M+1个高度；
反演子单元，用于分别按照2M+1个高度进行后向散射系数廓线反演，得到2M+1条后向散射系数廓线；
获取子单元，用于分别获取2M+1条后向散射系数廓线在激光雷达的近端高度处的后向散射系数；
计算子单元，用于计算所有的后向散射系数的标准差；
认定子单元，用于在所述标准差小于预设标准差阈值的情况下，认定所述高度验证通过；反之，认定所述高度验证不通过；
其中，所述K、M均为预先设定的正整数；所述激光雷达的近端高度为激光雷达的近端盲区外第1个有效数据对应的高度。
在上述各实施例的基础上，作为一种可选的实施例，所述激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差，具体通过以下公式计算：
Figure BDA0003527123330000181
Figure BDA0003527123330000182
其中，x表示高度，n表示预设值，NSD(x)表示预设高度范围内高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差，
Figure BDA0003527123330000183
表示预设高度范围内高度x前后2n+1个高度处激光雷达回波信号距离订正值的平均值，dz表示激光雷达分辨率，i表示计数，RCS(x)表示预设高度范围内高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值。
第三方面，图3示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图3 所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口 (Communications Interface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，所述方法包括：确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度；其中，所述预设高度范围是以寻找大气清洁层为依据设定的；基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度。
此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，所述方法包括：确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度；其中，所述预设高度范围是以寻找大气清洁层为依据设定的；基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：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 (10)

1.一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，其特征在于，所述方法包括：
确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度；其中，所述预设高度范围是以寻找大气清洁层为依据设定的；所述预设高度范围内的各高度，是以预设高度范围最高高度为起点，并以激光雷达分辨率为间隔步长选定的；
基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度。
2.根据权利要求1所述的用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，其特征在于，所述确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度之前，还包括：
对预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号进行背景噪声订正；
将经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号分别进行信噪比计算以及距离订正，对应得到预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值。
3.根据权利要求2所述的用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，其特征在于，所述将经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号进行距离订正，对应得到预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的距离订正值，包括：
计算经过背景噪声订正的预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号与相应高度的平方的乘积，并将所述乘积作为预设高度范围内各高度处的激光雷达回波信号的距离订正值。
4.根据权利要求1所述的用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，其特征在于，所述预设条件为：激光雷达回波信号的信噪比大于预设信噪比阈值且激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差小于预设距离订正阈值的归一化标准差。
5.根据权利要求1所述的用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，其特征在于，所述基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度，包括：
将所述高度进行降序排列；
从降序序列的首个高度开始，以反演后向散射系数廓线的方式验证所述降序序列中的高度，直至找到验证通过的高度；
将验证通过的高度作为激光雷达方程参考高度。
6.根据权利要求5所述的用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，其特征在于，所述以反演后向散射系数廓线的方式验证所述降序序列中的高度，包括：
对于降序序列中的任一高度，以所述高度为中心，以K倍的激光雷达分辨率为间隔，向上以及向下各选取M个高度，得到2M+1个高度；
分别按照2M+1个高度进行后向散射系数廓线反演，得到2M+1条后向散射系数廓线；
分别获取2M+1条后向散射系数廓线在激光雷达的近端高度处的后向散射系数；
计算所有的后向散射系数的标准差；
在所述标准差小于预设标准差阈值的情况下，认定所述高度验证通过；反之，认定所述高度验证不通过；
其中，所述K、M均为预先设定的正整数；所述激光雷达的近端高度为激光雷达的近端盲区外第1个有效数据对应的高度。
7.根据权利要求4所述的用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法，其特征在于，所述激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差，具体通过以下公式计算：
Figure FDA0003527123320000031
Figure FDA0003527123320000032
其中，x表示高度，n表示预设值，NSD(x)表示预设高度范围内高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值的归一化标准差，
Figure FDA0003527123320000033
表示预设高度范围内高度x前后2n+1个高度处激光雷达回波信号距离订正值的平均值，dz表示激光雷达分辨率，i表示计数，RCS(x)表示预设高度范围内高度x处的激光雷达回波信号的距离订正值。
8.一种用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定装置，其特征在于，所述装置包括：
第一确定模块，用于确定预设高度范围内的各高度中激光雷达回波信号的信噪比和距离订正值满足预设条件的高度；其中，所述预设高度范围是以寻找大气清洁层为依据设定的；所述预设高度范围内的各高度，是以预设高度范围最高高度为起点，并以激光雷达分辨率为间隔步长选定的；
第二确定模块，用于基于所述高度，并采用后向散射系数廓线反演技术确定激光雷达方程参考高度。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述用于观测气溶胶的激光雷达方程参考高度确定方法。
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