CN115032653A - 利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法，包括以下步骤：S1、将雷达垂直探测，并根据Fernald方法计算获得几何因子区域z_g上方到标定距离z_c范围内各高度处气溶胶消光系数；S2、将雷达由垂直方向向水平方向以一定的天顶角逐次斜程扫描即扇面扫描，扫描组数为n，高度分辨率为dr，求出各扫描组天顶角a(n)与其对应的标定高度z(n)；S3、假设扇面扫描过程中整个大气水平均匀，由各扫描组测得气溶胶消光系数廓线计算得到几何因子区域z_g范围内的气溶胶消光系数α_a。本发明利用扫描激光雷达测量出激光雷达几何因子区域内的大气特性，可以为其它激光雷达系统提供相应的几何因子内的测量数据。

Description

利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法

技术领域

本发明涉及激光雷达的技术领域，尤其涉及一种利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法。

背景技术

气溶胶作为凝结核能直接影响降水分布，同时也直接参与了二次污染物和雾霾的产生，严重危害人类的生活。因此，对于大气气溶胶特性，尤其是近地面气溶胶特性的研究显得尤为重要。

传统米散射激光雷达已经实现了对大气气溶胶的实时监测，但是由于激光雷达本身构造的原因，即无论是采取同轴结构还是异轴结构，都无法直接测得几何因子区域内的大气特性。为解决这一问题，各国科研工作者尝试过各种方法，但或多或少都有其局限性。

1979年，Sasano等人提出了大气水平标定法，该方法从激光雷达方程出发，假设激光在水平方向传播时，大气近似均匀，大气后向散射系数与消光系数为一常数，再通过选取一个远场基点利用斜率法进行线性拟合以求出均匀消光系数。该方法由于选择较远处为斜率的拟合点，拟合误差沿着近场方向不断叠加，造成近场几何因子误差很大。此外，受粒子多次散射影响，不同天气状况校正的几何因子适配性差。

2002年，Ulla Wandinger等人提出了将振动拉曼信号同气溶胶米散射信号结合的方法测量几何因子，首先，因为其接收的大气中氮气分子的拉曼散射信号要比米散射信号和大气分子的瑞利散射信号弱3～4个数量级，所以一般只能在晚上进行观测。其次，该方法对两个探测通道的光学匹配性要求高。最后，该方法假设气溶胶波长指数的同时也会带来较大的反演误差。

另一种利用CCD相机与激光雷达联合进行几何因子区域测量的新方法被学者提出，即通过CCD相机测量水平光束图像和垂直气溶胶角散射灰度图像，再利用水平图像得到的大气散射相函数相对值来反演垂直消光廓线。该方法对系统几何位置的确定精准性要求高，操作困难。同时，因为气溶胶散射的角依赖性，即几何因子区域内的气溶胶相函数变化不一，特别是在90°～180°范围内变化很大，难以精准确定，从而进一步限制了CCD测量法的应用。

发明内容

为了解决了上述技术问题，本发明提出了利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法，具体技术方案如下：

S1、在测量几何因子区域大气特性的扫描激光雷达的测量反演中，先将雷达垂直探测，并根据Fernald方法计算获得几何因子区域z_g上方到标定距离z_c范围内各高度处气溶胶消光系数；

S2、将雷达由垂直方向向水平方向以一定的天顶角逐次斜程扫描即扇面扫描，设几何因子区高度为z_g，扫描组数为n，其中n∈[1，2，3......N]，高度分辨率为dr，则各组天顶角大小为：

a(n)＝acos((z_g-n·dr)/z_g) (4)

设定标定距离为z_c，由此确定不同天顶角扫描组所对应的标定高度：

z(n)＝z_c·cos[a(n)] (5)

S3、假设扇面扫描过程中整个大气水平均匀，同一高度处的气溶胶消光系数与分子消光系数相同；即当n＝1时，P₁处的气溶胶消光系数α_a和分子消光系数α_m与A₁处的气溶胶消光系数和分子消光系数均相同，P₂处与A₂处相同，以此类推，P_n处与A_n处相同；定义气溶胶后向散射比R_b＝(S₂·α_a)/(S₁·α_m)+1，其中S₁和S₂分别是气溶胶消光后向散射比比和分子消光后向散射比，两者均为常数，因此可知同一水平高度处的后向散射比Rb也均相同；假定第1～m组扫描组的标定高度在几何因子区高度z_g上方，第m+1～n组扫描组的标定高度在几何因子区高度z_g下方；第1～m组各组对应的标定后向散射比R_b可以根据S1中测得的对应标定高度处的气溶胶消光系数计算得到，将得到的R₁～R_m代入Fernald 方程计算出A₁～A_m的气溶胶消光系数；第m+1组的标定后向散射比R_m+1由第m 组扫描组在此高度上的消光系数计算得到，根据得到的R_m+1的值和Fernald方程计算得A_m+1的气溶胶消光系数；第m+2组的标定后向散射比R_m+2从第m+1组测得的对应高度上的消光系数计算得到，根据得到的R_m+2的值和Femald方程计算得A_m+2的气溶胶消光系数；以此类推，直至算出A_n处气溶胶消光系数；根据上述步骤获得A₁到A_n处的气溶胶消光系数，即可得到几何因子区域z_g范围内的气溶胶消光系数α_a。

本发明的优点在于：

(1)相比背景技术中的方法，该方法不需要气溶胶的相函数，有效避免了因为计算相函数导致的测量误差。

(2)本方法对时间、空间的依赖性低，在白天、夜晚无云的天气下都能使用，相比背景技术中的方法，使用更方便快捷，效率更高。

(3)该方法矫正的几何因子适配性高，能与其它激光雷达联合探测，弥补其在几何因子区域内测量的不足。

附图说明

图1为利用扫描激光雷达探测原理图；

图2为垂直气溶胶消光系数廓线；

图3为不同角度的气溶胶消光廓线；

图4(a)为晴天前35组相对误差分布；

图4(b)晴天前26组相对误差分布；

图5(a)雾天前35组相对误差分布；

图5(b)雾天前26组统计相对误差分布；

图6(a)边界层高0.7km时测量误差；

图6(b)边界层高1.2km时测量误差；

图6(c)边界层高1.7km时测量误差；

图7(a)晴天后4组统计相对误差分布；

图7(b)雾天后4组统计相对误差分布；

图8(a)晴天相对误差分布；

图8(b)雾天相对误差分布；

图9(a)边界层高度为0.5km时相对误差随天顶角组数的变化；

图9(b)边界层高度为1.2km时相对误差随天顶角组数的变化；

图9(c)边界层高度为1.7km时相对误差随天顶角组数的变化；

图10(a)边界层高度1.7km、消光系数0.15km^-1时，系统误差引起的相对误差；

图10(b)边界层高度1.7km、消光系数0.5km^-1时，系统误差引起的相对误差；

图10(c)边界层高度1.7km、消光系数2km^-1时，系统误差引起的相对误差；

图10(d)边界层高度1.2km、消光系数2km^-1时，系统误差引起的相对误差；

图10(e)边界层高度0.7km、消光系数2km^-1时，系统误差引起的相对误差。

具体实施方式

一种利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法，包括以下步骤：

S1、在测量几何因子区域大气特性的扫描激光雷达的测量反演中，先将雷达垂直探测，并根据Fernald方法计算获得几何因子区域z_g上方到标定距离z_c范围内各高度处气溶胶消光系数。

步骤S1中计算大气气溶胶后向系数步骤为：

S11、确定接收到大气候散射回波信号：

其中P(z)为激光雷达方程在距离z处接收到的回波功率(W)，C为系统常数 (W·km³·sr)，β_a(z)和β_m(z)分别为距离z处的气溶胶后向散射系数和分子后向散射系数(km^-1·sr^-1)，α_a(z′)和α_m(z′)分别为距离z处的气溶胶消光系数和分子消光系数 (km^-1)；

S12、定义标定距离处气溶胶后向散射比：

S13、将后向散射比代入(1)式计算大气气溶胶后向系数：

大气气溶胶消光系数为：

α_a(z)＝S₁·β_a(z) (4)

其中，X(z)＝P(z)z²为距离平方信号，S₁为气溶胶消光后向散射比，其值受气溶胶尺度谱和折射率影响，通常在10sr到100sr之间，在Fernald方法中，假设该值为一不随高度变化的常数，在对流层和平流层背景期，可取S₁＝50。 S₂＝α_m(z)/β_m(z)为分子消光后向散射比，在本方案中取8π/3，β_m(z)由瑞利散射理论计算获得。

如图1所示，设几何因子区高度为z_g，扫描组数为n，其中n∈[1，2，3…… N]，高度分辨率为dr，则各组天顶角大小为：

a(n)＝acos((z_g-n·dr)/z_g) (4)

为在满足机械精度的条件下尽可能使得空间分辨率分布均匀，在高度分辨率近似设定值的情况下选取若干组测量天顶角与其对应的标定高度，确定标定距离z_c，根据标定距离确定不同天顶角大小对应的标定高度：

z(n)＝z_c·cos[a(n)] (5)

在该实施例中，在高度分辨率近似为15m的情况下选取39组测量天顶角与其对应的垂直高度，如表1所示，其中标定距离z_c为5.0175km。

表1扫描天顶角与对应标定高度

假设扇面扫描过程中整个大气水平均匀，同一高度处的气溶胶消光系数与分子消光系数相同。即当n＝1时，P₁处的气溶胶消光系数α_a和分子消光系数α_m与A₁处的气溶胶消光系数和分子消光系数均相同，P₂处与A₂处相同，以此类推，P_n处与A_n处相同。此外，定义气溶胶后向散射比R_b＝(S₂·α_a)/(S₁·α_m)+1，其中S₁和S₂分别是气溶胶消光后向散射比和分子消光后向散射比，两者均为常数，因此可知同一水平高度处的后向散射比R_b也均相同。

假定第1～m组扫描组的标定高度在几何因子区高度z_g上方，第m+1～n组扫描组的标定高度在几何因子区高度z_g下方。第1～m组各组对应的标定后向散射比R_b可以根据S1中测得的对应标定高度处的气溶胶消光系数计算得到，将得到的R₁～R_m代入Fernald方程可以计算出A₁～A_m的气溶胶消光系数；因为第 m+1组扫描组的标定高度已经位于几何因子区域z_g内，其对应的R_b无法从S1 中获得，由于同一高度处R_b相同，故第m+1组的标定后向散射比R_m+1可由第 m组扫描组在此高度上的消光系数计算得到，根据得到的R_m+1的值和Fernald方程便可计算得A_m+1的气溶胶消光系数。第m+2组的标定后向散射比R_m+2可以从第m+1组测得的对应高度上的消光系数计算得到，根据得到的R_m+2的值和 Fernald方程便可计算得A_m+2的气溶胶消光系数。以此类推，直至算出A_n处气溶胶消光系数。根据上述步骤获得A₁到A_n处的气溶胶消光系数，即可得到几何因子区域z_g范围内的气溶胶消光系数α_a。

对于以上方案进行了仿真验证：

首先，以仿真的气溶胶后向散射廓线作为真值，设置标定高度为5.0175km，高度分辨率为15m，边界层高度1.7km，几何因子区域高度600m，边界层以上气溶胶消光系数为0.005km^-1，边界层以下气溶胶消光系数为0.15km^-1，如图2 所示，实线与虚线分别代表代入几何因子前后的气溶胶消光廓线。

利用垂直仿真信号和固定的扫描角度可以反演出不同角度的气溶胶消光系数廓线，选取扫描组数为39，其消光系数廓线如图3所示，将各组廓线在其对应高度上的消光系数赋值给几何因子区域内各高度对应的点，便可得到几何因子区域内各高度的大气消光特性。

误差分析

该方法在测量中存在三个主要误差源，分别是大气分层结构模型在同一高度上大气的不均匀分布导致的测量结果误差，以及扫描角随机误差和系统误差引起的测量结果误差。

根据大气分层结构模型，假设在测量的空间和时间范围内没有显著的大气运动，大气随高度均匀分层，即在同一高度处的大气后向散射比R_b相同。对于高度在几何因子区域上方的测量组(前35组)，假设大气水平分布不均匀，使得该高度处的R_b与垂直廓线的R_b存在±10％的误差。

在边界层高度为1.7km时，分别对晴天(边界层以下大气消光系数为0.15 km^-1)和雾天(边界层以下大气消光系数为2km^-1)两种天气状况下的误差分析，即图2中A_n与P_n高度处的气溶胶消光系数的相对误差，其中n∈[1，2，3......N]，其前35组与前26组相对误差分布分别如图4、5所示。

如图4(a)所示，为晴天前35组相对误差分布，为方便观察其中前26组相对误差分布，将其放大后得到图4(b)。从图4中可以发现，大气水平不均匀性导致的R_b误差与其造成的测量误差近似为线性关系，在边界层上方(前 26组廓线)随着扫描天顶角的增大，相对误差逐渐减小，其范围在±0.57％到±0.64％之间。在首次到达边界层下方时(第27到35组廓线)，由于R_b大小产生突变，第27组廓线误差与26组廓线误差也会产生一个较大的突变，并且误差随着扫描天顶角的增加而增大，其范围在±5.4％到±7.9％之间。

在图5中，相对误差变化规律与图4规律一致，但其前26组相对误差范围在±0.0013％到±0.006％之间，而第27组到35组相对误差范围则在±0.024％到±0.93％之间。

因为R_b的误差与测量的相对误差在±10％以内近似为线性关系，并且关于零点对称，所以选取R_b为固定误差10％来进一步研究边界层高度对测量结果的影响。

如图6所示，(a)(b)(c)分别代表边界层高度为0.7km、1.2km、1.7km 时不同消光系数下的测量误差示意图。边界层高度对测量结果的影响体现在边界层高度附近两组扫描廓线误差由于R_b的突变而产生的激增，并且“突变点”随着边界层高度的增加而逐渐前移，而总体的误差范围并没有发生改变。另外，随着大气消光系数的增加，突变的幅度也在降低，相对误差也在下降。

几何因子区域高度下方的相对误差

对于高度在几何因子区域下方的测量组(36到39组)，设第35组大气后向散射比R_b与垂直消光廓线在该高度处的R_b存在±10％的误差，以5％为步长则共5组数据，第36组在35组的基础上再增加±10％误差，步长不变，总计25组数据，以此类推，第39组总计3125组数据。图7为晴天和雾天条件下，36至 39组的相对误差概率分布图。

对比图7(a)、(b)可以发现，在相同天顶角下，雾天测量相对误差总体要小于晴天测量误差。绝对误差则是雾天小于晴天，并且随着测量天顶角的增加，后四组测量数据的误差范围也在增加，并且总体服从正态分布；同时，雾天情况下的相对误差也要明显优于晴天条件下，其半宽处误差分别控制在±22％与±7％以内。

扫描角度的随机误差

扫描角度的随机误差是因为扫描头扫描过程中因为零部件配合的不稳定性，以及零部件变形、摩擦等原因使得真实角度与理论角度产生的偏差。目前主流扫描激光雷达角精度基本都能控制在0.1°到0.5°之间。因此，选取角精度随机误差为±0.2°，对39组扫描天顶角的随机误差进行分析。

如图8(a)、(b)所示，在晴天和雾天两种模型下，测量相对误差与天顶角随机误差在±0.2°范围内近似成线性关系，并且随着扫描天顶角的增大，测量相对误差范围也在增大。在晴天模型下，相对误差范围在±0.8％左右，在雾天模型下，相对误差范围在±5.5％左右。此外，在测量中由于扫描角随机误差的不确定性，实际误差要比上述结果小。

为进一步研究边界层高度对测量结果的影响，将天顶角随机误差固定为- 0.2°，选择边界层高度分别为0.7km、1.2km和1.7km，底部消光系数分别为0.15 km^-1、0.25km^-1、0.5km^-1、1km^-1和2km^-1进行对照实验。

如图9所示，随着扫描天顶角增大，测量的相对误差整体也在增大，但当测量组首次到达边界层下方时，相对误差较前组会有较小的下降，下降点会随着边界层高度的增加而逐渐前移，并且下降趋势也会随着消光系数的增加而逐渐不明显。

扫描角度的系统误差

扫描角度的系统误差是因为扫描雷达在未进行水平校准或校准不正确，实际测量角度与理论值产生的一个固定不变的偏差。选取扫描角度的系统误差为±5°。

图10为不同边界层高度和不同消光系数下的扫描角度系统误差引起的测量相对误差的示意图。首先，由于系统误差的存在，位于边界层附近的扫描组会产生“突变”误差，以(a)为例，在边界层附近的第24组至29组误差曲线相比其他组产生了“突变”误差。当边界层高度保持不变，改变底部消光系数大小，即对比(a)(b)(c)可以发现，“突变点”位置并未发生改变，但该点处误差变化的幅度却随着消光系数的增大而下降，同时，各扫描组的误差范围也随着消光系数的增加而增加。

其次，当底部消光系数保持不变，改变边界层高度的大小，即对比(c)(d) (e)可以发现，随着边界层高度的下降，“突变点”的位置逐渐向后方移动，从1.7km处的24组到29组移动到0.7km处的31组到37组，并且在此过程中，除“突变”的测量组外，各组的误差范围基本未发生改变。

最后从整体误差来看，消光系数越高，测量误差越大；随着扫描天顶角的增大，引起的测量误差也在增大；并且测量天顶角偏小时的整体误差范围比偏大时更大。相比大气水平分布不均匀和扫描角随机误差，扫描角的系统误差对实验准确性的影响程度更大，在后续研究中应当格外注意。

综上可以得到：

针对传统米散射激光雷达无法探测几何因子区域内大气消光特性的问题，提出了依据大气分层结构模型利用扫描激光雷达探测几何因子区内大气消光特性的方法，并进行仿真反演和误差分析。实验结果表明：该方法从原理上是完全可行的，并且不同天气情况对测量误差的影响也不相同。该方法为几何因子区域内大气特性研究提供了新思路。后续将会采用更加接近真实大气的仿真模型进一步探究各因素对测量误差的影响，并通过外场试验进一步论证此方法的适用性。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (3)

1.利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在测量几何因子区域大气特性的扫描激光雷达的测量反演中，先将雷达垂直探测，并根据Fernald方法计算获得几何因子区域z_g上方到标定距离z_c范围内各高度处气溶胶消光系数；

S2、将雷达由垂直方向向水平方向以一定的天顶角逐次斜程扫描即扇面扫描，设几何因子区高度为z_g，扫描组数为n，其中n∈[1,2,3……N]，高度分辨率为dr，则各组天顶角大小为：

a(n)＝acos((z_g-n·dr)/z_g) (4)

设定标定距离为z_c，由此确定不同天顶角扫描组所对应的标定高度：

z(n)＝z_c·cos[a(n)] (5)

S3、假设扇面扫描过程中整个大气水平均匀，同一高度处的气溶胶消光系数与分子消光系数相同；即当n＝1时，P₁处的气溶胶消光系数α_a和分子消光系数α_m与A₁处的气溶胶消光系数和分子消光系数均相同，P₂处与A₂处相同，以此类推，P_n处与A_n处相同；定义气溶胶后向散射比R_b＝(S₂·α_a)/(S₁·α_m)+1，其中S₁和S₂分别是气溶胶消光后向散射比和分子消光后向散射比，两者均为常数，因此可知同一水平高度处的后向散射比Rb也均相同；假定第1～m组扫描组的标定高度在几何因子区高度z_g上方，第m+1～n组扫描组的标定高度在几何因子区高度z_g下方；第1～m组各组对应的标定后向散射比R_b可以根据S1中测得的对应标定高度处的气溶胶消光系数计算得到，将得到的R₁～R_m代入Fernald方程计算出A₁～A_m的气溶胶消光系数；第m+1组的标定后向散射比R_m+1由第m组扫描组在此高度上的消光系数计算得到，根据得到的R_m+1的值和Fernald方程计算得A_m+1的气溶胶消光系数；第m+2组的标定后向散射比R_m+2从第m+1组测得的对应高度上的消光系数计算得到，根据得到的R_m+2的值和Fernald方程计算得A_m+2的气溶胶消光系数；以此类推，直至算出A_n处气溶胶消光系数；根据上述步骤获得A₁到A_n处的气溶胶消光系数，即可得到几何因子区域z_g范围内的气溶胶消光系数α_a。

2.根据权利要求1所述的利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法，其特征在于，步骤S1中计算大气气溶胶消光系数步骤为：

S11、确定接收到大气后向散射回波信号：

其中P(z)为激光雷达方程在距离z处接收到的回波功率(W)，C为系统常数(W·km³·sr)，β_a(z)和β_m(z)分别为距离z处的气溶胶后向散射系数和分子后向散射系数(km^-1·sr^-1)，α_a(z′)和α_m(z′)分别为距离z处的气溶胶消光系数和分子消光系数(km^-1)；

S12、定义标定距离处气溶胶后向散射比：

S13、将气溶胶后向散射比代入(1)式计算大气气溶胶后向散射系数：

其中，X(z)＝P(z)z²为距离平方信号，S₁＝α_a(z)/β_a(z)和S₂＝α_m(z)/β_m(z)分别为气溶胶和分子消光后向散射比。

大气气溶胶消光系数为：

α_a(z)＝S₁·β_a(z) (4)。

3.根据权利要求2所述的利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法，其特征在于，S₁＝50，S₂＝8π/3，β_m(z)由瑞利散射理论计算获得。

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