CN115015177A - 一种结合ccd和能见度仪的云下消光系数反演方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法，涉及大气激光雷达技术领域。该一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法，包括以下步骤：S1、利用CCD对修正近地面(盲区与过渡区)激光雷达后向散射回波信号，从而得到合理的近地面信号值，并对米散射激光雷达后向散射回波信号进行扣除背景信号、平滑去噪等基本数据预处理得到信号P(Z)。通过CCD修正近地面信号，利用能见度仪换算获取近地面消光系数值，利用Fernald前向积分，以能见度仪测量高度为标定高度向远端进行反演，得到不受云层影响的云下消光系数，有效改进了传统Fernald方法云下消光系数反演数值不合理的情况，消除云对云下消光系数反演的影响。

Description

一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法
技术领域
本发明涉及大气激光雷达技术领域，具体为一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法。
背景技术
激光雷达是大气遥感探测的重要技术手段，激光雷达通过探测激光和大气相互作用的辐射信号来遥感大气，利用相应的反演方法就可以从辐射信号中得到大气成分的相关信息，目前最成熟且最广泛应用的是米散射激光雷达，利用美国标准大气对激光雷达米散射回波信号进行反演，可以获取消光系数垂直廓线，最常用的消光系数反演方法是Fernald方法，Fernald方法假设后向散射系数与消光系数之间存在某种关系，用消光后向散射比，也称激光雷达比来描述这种关系，通过Fernald方法反演消光系数通常需要找到标定高度，该高度几乎不含大气气溶胶，视为清洁大气层，以标定高度为起点，进行Fernald后向积分，获取气溶胶消光系数廓线。
但是在实际使用中，这种方法容易受到云层的影响，当有云层出现的时候，反演得到的云下消光系数往往会出现负值异常值，以及整体数值偏小的情况，存在不合理的数值。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法，解决了在实际使用中普通Fernald方法容易受到云层的影响，当有云层出现的时候，反演得到的云下消光系数往往会出现负值异常值，以及整体数值偏小的情况，存在不合理的数值的问题。
(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：一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法，包括以下步骤：
S1、利用CCD对修正近地面(盲区与过渡区)激光雷达后向散射回波信号，从而得到合理的近地面信号值，并对米散射激光雷达后向散射回波信号进行扣除背景信号、平滑去噪等基本数据预处理得到信号P(Z)；
S2、将能见度换算为消光系数，能见度与后向散射系数之间存在换算关系：
Figure BDA0003681730320000021
其中q的取值由能见度决定：
Figure BDA0003681730320000022
假定合理的气溶胶激光雷达比Sα，消光系数由后向散射系数与激光雷达比Sa的乘积决定，在反演云下消光系数时，以合适的高度(可用雷达有效数据最低高度)作为初始标定高度Zc，能见度换算的消光系数值作为标定高度的消光系数值αa(Zc)；
S3、根据Fernald方法的思想，将米散射后向散射回波信号分为气溶胶信号和分子信号，则米散射激光雷达后向散射回波信号对应的激光雷达方程为：
Figure BDA0003681730320000023
Fernald方法前向积分格式为：
Figure BDA0003681730320000031
S4、从S2步骤确定的标定高度Zc开始，以S2步骤确定的标定值αa(Zc)为标定高度Zc的消光系数值，激光雷达比仍选择S2步骤确定的Sa，利用Fernald前向积分向激光发射方向反演气溶胶消光系数。
优选的，所述S2步骤中换算关系式(1)中λ为波长(km),V为能见度(km)。
优选的，所述S3步骤中激光雷达方程式中P(Z)为高度Z处的激光雷达回波信号，E为输出能量，C为激光雷达常数，与设备有关，βa(Z)和βm(Z)分别为高度Z处的气溶胶和分子后向散射系数，
Figure BDA0003681730320000032
和
Figure BDA0003681730320000033
分别为高度Z处的气溶胶和分子的透过率，分子的后向散射系数、消光系数和透过率可由美国标准大气分子模型获得。
优选的，所述S3步骤中Fernald方法前向积分格式中αa(Z)和αm(Z)分别是高度Z处的气溶胶和分子消光系数，Sa和Sm分别是气溶胶和分子的激光雷达比，通常
Figure BDA0003681730320000034
Zc是标定高度，αa(Zc)和αm(Zc)分别是标定高度处的气溶胶和分子消光系数。
(三)有益效果
本发明提供了一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法。具备以下有益效果：
本发明通过CCD修正近地面信号，利用能见度仪换算获取近地面消光系数值，利用Fernald前向积分，以能见度仪测量高度为标定高度向远端进行反演，得到不受云层影响的云下消光系数，有效改进了传统Fernald方法云下消光系数反演数值不合理的情况，消除云对云下消光系数反演的影响，其结果相比常规方法有显著改善：云下消光系数的空间变化更明显，且时间变化更自然。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的有云情况下常规方法与本发明提出的新方法消光系数反演对比图；
图3为本发明的无云情况下常规方法与本发明提出的新方法消光系数反演对比图；
图4为本发明的常规方法消光系数反演时间序列示意图；
图5为本发明的结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法消光系数反演时间序列示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
实施例：
如图1-5所示，本发明实施例提供一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法，包括以下步骤：
S1、利用CCD对修正近地面(盲区与过渡区)激光雷达后向散射回波信号，从而得到合理的近地面信号值，并对米散射激光雷达后向散射回波信号进行扣除背景信号、平滑去噪等基本数据预处理得到信号P(Z)；
S2、将能见度换算为消光系数，能见度与后向散射系数之间存在换算关系：
Figure BDA0003681730320000051
其中q的取值由能见度决定：
Figure BDA0003681730320000052
假定合理的气溶胶激光雷达比Sa，消光系数由后向散射系数与激光雷达比Sa的乘积决定，在反演云下消光系数时，以合适的高度(可用雷达有效数据最低高度)作为初始标定高度Zc，能见度换算的消光系数值作为标定高度的消光系数值αa(Zc)；
S3、根据Fernald方法的思想，将米散射后向散射回波信号分为气溶胶信号和分子信号，则米散射激光雷达后向散射回波信号对应的激光雷达方程为：
Figure BDA0003681730320000053
Fernald方法前向积分格式为：
Figure BDA0003681730320000054
S4、从S2步骤确定的标定高度Zc开始，以S2步骤确定的标定值αa(Zc)为标定高度Zc的消光系数值，激光雷达比仍选择S2步骤确定的Sa，利用Fernald前向积分向激光发射方向反演气溶胶消光系数。
S2步骤中换算关系式(1)中λ为波长(km),V为能见度(km)。
S3步骤中激光雷达方程式中P(Z)为高度Z处的激光雷达回波信号，E为输出能量，C为激光雷达常数，与设备有关，βa(Z)和βm(Z)分别为高度Z处的气溶胶和分子后向散射系数，
Figure BDA0003681730320000061
和
Figure BDA0003681730320000062
分别为高度Z处的气溶胶和分子的透过率，分子的后向散射系数、消光系数和透过率可由美国标准大气分子模型获得。
S3步骤中Fernald方法前向积分格式中αa(Z)和αm(Z)分别是高度Z处的气溶胶和分子消光系数，Sa和Sm分别是气溶胶和分子的激光雷达比，通常
Figure BDA0003681730320000063
Zc是标定高度，αa(Zc)和αm(Zc)分别是标定高度处的气溶胶和分子消光系数。
以一台可以发射550nm波长激光的激光雷达为例：
包含CCD装置，空间分辨率为7.5m，激光雷达信号完全接收高度为625.5m，某天在某地进行大气探测，雷达有效数据最低高度为45m，该地同时安置能见度仪，已知该天存在明显云层，选择有云的一条激光雷达后向散射回波信号廓线，假设气溶胶激光雷达比Sa＝50，利用常规Fernald方法反演对应的气溶胶消光系数廓线，在高空寻找几乎不含气溶胶的高度作为标定高度向近地面反演，受云层干扰，云下消光系数反演出现负值异常值。
现用本发明提出的新方法对同一条激光雷达后向散射回波信号进行消光系数反演：
用CCD对近地面(盲区与过渡区)信号修正，整条回波信号廓线扣除背景信号，并乘以距离的平方，再用平滑滤波器进行信号去噪，完成信号预处理，得到信号P(Z)。
选择雷达有效数据最低高度45m为标定高度zc(可根据实际情况调整)，该条回波信号廓线对应的能见度为11.06m，根据公式(2)可知q＝1.3，代入换算公式(1)换算出一个后向散射系数值，乘以激光雷达比Sa得到标定高度的消光系数值0.3679km-1。
列出已知条件：Zc＝0.045km，αa(Zc)＝0.3679km-1，Sa＝50，
Figure BDA0003681730320000071
由分子模型计算得到的αm(Z)和αm(Zc)，由步骤1得到的P(Z)，利用Fernald前向积分公式(4)，反演得到消光系数廓线，如图2所示，可以发现本发明提出的新方法相对于常规反演方法，不仅在云下不存在负值异常值，可以有效避免Fernald后向积分用到的云层信号带来的影响，反演出更为合理的云下消光系数。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、利用CCD对修正近地面(盲区与过渡区)激光雷达后向散射回波信号，从而得到合理的近地面信号值，并对米散射激光雷达后向散射回波信号进行扣除背景信号、平滑去噪等基本数据预处理得到信号P(Z)；
S2、将能见度换算为消光系数，能见度与后向散射系数之间存在换算关系：
Figure FDA0003681730310000011
其中q的取值由能见度决定：
Figure FDA0003681730310000012
假定合理的气溶胶激光雷达比Sa，消光系数由后向散射系数与激光雷达比Sa的乘积决定，在反演云下消光系数时，以合适的高度(可用雷达有效数据最低高度)作为初始标定高度Zc，能见度换算的消光系数值作为标定高度的消光系数值αa(Zc)；
S3、根据Fernald方法的思想，将米散射后向散射回波信号分为气溶胶信号和分子信号，则米散射激光雷达后向散射回波信号对应的激光雷达方程为：
Figure FDA0003681730310000013
Fernald方法前向积分格式为：
Figure FDA0003681730310000021
S4、从S2步骤确定的标定高度Zc开始，以S2步骤确定的标定值αa(Zc)为标定高度Zc的消光系数值，激光雷达比仍选择S2步骤确定的Sa，利用Fernald前向积分向激光发射方向反演气溶胶消光系数。
2.根据权利要求1所述的一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法，其特征在于：所述S2步骤中换算关系式(1)中λ为波长(km),V为能见度(km)。
3.根据权利要求1所述的一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法，其特征在于：所述S3步骤中激光雷达方程式中P(Z)为高度Z处的激光雷达回波信号，E为输出能量，C为激光雷达常数，与设备有关，βa(Z)和βm(Z)分别为高度Z处的气溶胶和分子后向散射系数，
Figure FDA0003681730310000022
和
Figure FDA0003681730310000023
分别为高度Z处的气溶胶和分子的透过率，分子的后向散射系数、消光系数和透过率可由美国标准大气分子模型获得。
4.根据权利要求1所述的一种结合CCD和能见度仪的云下消光系数反演方法，其特征在于：所述S3步骤中Fernald方法前向积分格式中αa(Z)和αm(Z)分别是高度Z处的气溶胶和分子消光系数，Sa和Sm分别是气溶胶和分子的激光雷达比，通常
Figure FDA0003681730310000024
Zc是标定高度，αa(Zc)和αm(Zc)分别是标定高度处的气溶胶和分子消光系数。
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