CN117590360B - 一种多波长激光雷达颜色比标定方法 - Google Patents

一种多波长激光雷达颜色比标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光雷达标定，具体涉及一种多波长激光雷达颜色比标定方法，确定需要标定的标定常数；获取参与激光雷达颜色比计算的波长对中两个波长的回波信号扣除背景后的目标回波信号；从波长对有效起始高度开始分别计算两个波长的回波信号信噪比，并判定激光雷达颜色比的有效探测距离；计算洁净大气高度区间的距离平方校正信号取对数后的斜率，得到两个波长对应的斜率序列；基于两个波长对应的斜率序列确定包含洁净大气高度区间的标定信号；基于标定信号计算两个波长的雷达常数，并计算得到标定常数；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的由于无法对多波长激光雷达颜色比进行准确标定而导致反演结果出现误差的缺陷。

Description

一种多波长激光雷达颜色比标定方法
技术领域
本发明涉及激光雷达标定，具体涉及一种多波长激光雷达颜色比标定方法。
背景技术
多波长激光雷达利用激光与大气相互作用的辐射信号来遥感大气，是云和气溶胶探测的重要手段之一，其一般具备355nm、532nm、1064nm等多个发射波长，并且能够探测多个米散射通道及拉曼散射通道的回波信号。利用激光的多波长米散射、偏振、氮气分子后向散射等探测识别大气中气溶胶的物理特性，用于反演气溶胶、云滴谱的垂直廓线和云底等，具体包括：气溶胶和云消光系数廓线、气溶胶和云后向散射系数廓线、气溶胶和云消光/云后向散射比廓线、气溶胶和云粒子谱廓线、气溶胶和云后向散射信号退偏振比廓线、气溶胶和云后向散射信号颜色比廓线等。其中，气溶胶和云后向散射信号颜色比廓线（attenuatedcolor ratio,ACR）可以表征气溶胶粒子相对大小，基于退偏振比、颜色比等多参数可以对气溶胶和云粒子的类型进行有效识别。
激光雷达颜色比是一个无量纲参数，可以由任意两个不同发射波长的回波信号计算得到，如355nm和1064nm波长对、355nm和532nm波长对、532nm和1064nm波长对等。
由于缺少标定方法，在计算激光雷达颜色比时，雷达系统参数通常是随意设定的，这导致在同一时刻探测同一空域的情况下，不同厂家、甚至同一厂家的不同批次激光雷达的观测结果都会存在较大的绝对值差异。此外，随着雷达系统参数/>的变化，如窗口污染加重、不同波长的透过率变化等，对于同一属性的目标（如云、沙尘等）颜色比的绝对值也会发生变化。对多波长激光雷达颜色比进行标定，消除特定波长雷达常数的影响，对于利用激光雷达颜色比分析气溶胶粒子相对大小具有重要意义。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种多波长激光雷达颜色比标定方法，能够有效克服现有技术所存在的由于无法对多波长激光雷达颜色比进行准确标定而导致反演结果出现误差的缺陷。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种多波长激光雷达颜色比标定方法，包括以下步骤：
S1、确定需要标定的标定常数；
S2、获取参与激光雷达颜色比计算的波长对中两个波长的回波信号扣除背景后的目标回波信号；
S3、从波长对有效起始高度开始分别计算两个波长的回波信号信噪比，并判定激光雷达颜色比的有效探测距离；
S4、计算洁净大气高度区间的距离平方校正信号取对数后的斜率，得到两个波长对应的斜率序列；
S5、基于两个波长对应的斜率序列确定包含洁净大气高度区间的标定信号；
S6、基于标定信号计算两个波长的雷达常数，并计算得到标定常数。
优选地，S1中确定需要标定的标定常数，包括：
对于任意两个波长，高度z处激光雷达颜色比采用下式计算：
，
其中，为高度z处波长/>的距离平方校正信号，/>为高度z处波长/>的距离平方校正信号，/>为雷达系统参数，即为需要标定的标定常数。
优选地，S2中获取参与激光雷达颜色比计算的波长对中两个波长的回波信号扣除背景后的目标回波信号，包括：
分别取各通道20km~30km回波信号的平均值作为背景值，将对应通道0~30km回波信号依次减去各自通道的背景值，得到高度z处两个波长的回波信号扣除背景后的目标回波信号、/>。
优选地，S3中从波长对有效起始高度开始分别计算两个波长的回波信号信噪比，包括：
采用下式计算高度z处波长的回波信号信噪比/>：
，
其中，为高度z处波长/>的目标回波信号，/>为波长/>的回波信号噪声，采用下式计算：
，
上式中，为波长/>的回波信号序列中的第i个数据，m为计算信号本底噪声的数据序列起点，n为计算信号本底噪声的数据个数，/>为i取m~m+n区间时/>的数学平均值。
优选地，S3中判定激光雷达颜色比的有效探测距离，包括：
若在高度z处任意一个波长的回波信号信噪比小于3，则判定此时的高度z为激光雷达颜色比的有效探测距离；
当高度时，则进入S4；否则重新选择参与激光雷达颜色比计算的波长对，并返回S2。
优选地，S4中计算洁净大气高度区间的距离平方校正信号取对数后的斜率，得到两个波长对应的斜率序列，包括：
S41、有以下激光雷达方程：
，
其中，为波长/>的雷达常数，在洁净大气高度区间，气溶胶后向散射系数，气溶胶消光系数/>，/>为0~z范围内任意一个高度；
S42、激光雷达方程演变为：
（1），
其中，为高度z处波长/>的距离平方校正信号，采用下式计算：
；
为高度z处波长/>对应的分子后向散射系数，采用下式计算：
；
为高度z处波长/>对应的分子消光系数，采用下式计算：
；
S43、对（1）式左右取对数：
（2）
S44、将（2）式左右对高度z求导：
，
S45、基于雷达距离分辨率计算5km~8km范围内两个波长的/>，得到两个波长对应的实测斜率序列/>、/>，然后计算得到两个波长对应的理论斜率序列/>、，两个波长对应的实测斜率序列/>、/>和理论斜率序列/>、的数据个数均为/>。
优选地，S5中基于两个波长对应的斜率序列确定包含洁净大气高度区间的标定信号，包括：
S51、采用下式计算波长的实测斜率序列/>与理论斜率序列/>中对应斜率值之间的误差：
（3），
其中，为波长/>的实测斜率序列/>与理论斜率序列/>中第b个斜率值之间的误差，/>为实测斜率序列/>中第b个斜率值，/>为理论斜率序列/>中第b个斜率值；
S52、当基于（3）式计算得到两个波长的实测斜率序列与理论斜率序列中对应斜率值之间的所有误差、/>均小于10%时，判定5km~8km范围内为洁净大气高度区间，并确定相应的/>、/>为包含洁净大气高度区间的标定信号；否则重新选择参与激光雷达颜色比计算的波长对，并返回S2。
优选地，S6中基于标定信号计算两个波长的雷达常数，并计算得到标定常数，包括：
S61、基于包含洁净大气高度区间的标定信号，结合（1）式计算高度h处波长的雷达常数/>：
（4），
其中，高度h取值范围为洁净大气高度区间，即5km~8km，为0~h范围内任意一个高度；
S62、基于（4）式计算得到高度h处波长的雷达常数/>，以及高度h处波长/>的雷达常数/>；
S63、在洁净大气高度区间分别取、/>的算术平均值，得到对应的两个波长的雷达常数/>、/>；
S64、采用下式计算标定常数：
。
与现有技术相比，本发明所提供的一种多波长激光雷达颜色比标定方法，具有以下有益效果：
1）填补了多波长激光雷达颜色比标定方法的空缺，统一了标准，在此基础上可进一步统一不同粒径气溶胶粒子的颜色比大小阈值区间；
2）不仅能够在离线分析时采用本方法进行标定，还能够在激光雷达连续运行的过程中采用本方法进行定期标定，消除雷达系统参数的变化（如不同波长激光器能量下降差异、窗口污染加重、不同波长的透过率变化等因素导致）对激光雷达颜色比反演造成的影响；
3）采用本方法能够极大程度地提升激光雷达颜色比反演结果的统一性、稳定性，获得更加可靠的高时空分辨率的大气观测资料，为天气预报和人工影响天气等科研业务提供重要的观测数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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 为本发明的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
一种多波长激光雷达颜色比标定方法，如图1所示，S1、确定需要标定的标定常数，具体包括：
对于任意两个波长，高度z处激光雷达颜色比采用下式计算：
，
其中，为高度z处波长/>的距离平方校正信号，/>为高度z处波长/>的距离平方校正信号，/>为雷达系统参数（受不同波长激光器能量下降差异、窗口污染加重、不同波长的透过率变化等因素影响），即为需要标定的标定常数。
S2、获取参与激光雷达颜色比计算的波长对中两个波长的回波信号扣除背景后的目标回波信号，具体包括：
分别取各通道20km~30km回波信号的平均值作为背景值，将对应通道0~30km回波信号依次减去各自通道的背景值，得到高度z处两个波长的回波信号扣除背景后的目标回波信号、/>。
S3、从波长对有效起始高度开始分别计算两个波长的回波信号信噪比，并判定激光雷达颜色比的有效探测距离。
1）从波长对有效起始高度开始分别计算两个波长的回波信号信噪比，包括：
采用下式计算高度z处波长的回波信号信噪比/>：
，
其中，为高度z处波长/>的目标回波信号，/>为波长/>的回波信号噪声，采用下式计算：
，
上式中，为波长/>的回波信号序列中的第i个数据，m为计算信号本底噪声的数据序列起点，n为计算信号本底噪声的数据个数，/>为i取m~m+n区间时/>的数学平均值。
2）判定激光雷达颜色比的有效探测距离，包括：
若在高度z处任意一个波长的回波信号信噪比小于3，则判定此时的高度z为激光雷达颜色比的有效探测距离；
当高度时，则进入S4；否则重新选择参与激光雷达颜色比计算的波长对，并返回S2。
S4、计算洁净大气高度区间的距离平方校正信号取对数后的斜率，得到两个波长对应的斜率序列，具体包括：
S41、有以下激光雷达方程：
，
其中，为波长/>的雷达常数，在洁净大气高度区间，气溶胶后向散射系数，气溶胶消光系数/>，/>为0~z范围内任意一个高度；
S42、激光雷达方程演变为：
（1），
其中，为高度z处波长/>的距离平方校正信号，采用下式计算：
；
为高度z处波长/>对应的分子后向散射系数，采用下式计算：
；
为高度z处波长/>对应的分子消光系数，采用下式计算：
；
S43、对（1）式左右取对数：
（2），
S44、将（2）式左右对高度z求导：
，
S45、基于雷达距离分辨率计算5km~8km范围内两个波长的/>，得到两个波长对应的实测斜率序列/>、/>，然后计算/>得到两个波长对应的理论斜率序列/>、/>，两个波长对应的实测斜率序列、/>和理论斜率序列/>、/>的数据个数均为/>。
S5、基于两个波长对应的斜率序列确定包含洁净大气高度区间的标定信号，具体包括：
S51、采用下式计算波长的实测斜率序列/>与理论斜率序列/>中对应斜率值之间的误差：
（3），
其中，为波长/>的实测斜率序列/>与理论斜率序列/>中第b个斜率值之间的误差，/>为实测斜率序列/>中第b个斜率值，/>为理论斜率序列/>中第b个斜率值；
S52、当基于（3）式计算得到两个波长的实测斜率序列与理论斜率序列中对应斜率值之间的所有误差、/>均小于10%时，判定5km~8km范围内为洁净大气高度区间，并确定相应的/>、/>为包含洁净大气高度区间的标定信号；否则重新选择参与激光雷达颜色比计算的波长对，并返回S2。
S6、基于标定信号计算两个波长的雷达常数，并计算得到标定常数，具体包括：
S61、基于包含洁净大气高度区间的标定信号，结合（1）式计算高度h处波长的雷达常数/>：
（4），
其中，高度h取值范围为洁净大气高度区间，即5km~8km，为0~h范围内任意一个高度；
S62、基于（4）式计算得到高度h处波长的雷达常数/>，以及高度h处波长/>的雷达常数/>；
S63、在洁净大气高度区间分别取、/>的算术平均值，得到对应的两个波长的雷达常数/>、/>；
S64、采用下式计算标定常数：
。
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，并不会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 (8)

1.一种多波长激光雷达颜色比标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、确定需要标定的标定常数；
S2、获取参与激光雷达颜色比计算的波长对中两个波长的回波信号扣除背景后的目标回波信号；
S3、从波长对有效起始高度开始分别计算两个波长的回波信号信噪比，并判定激光雷达颜色比的有效探测距离；
S4、计算洁净大气高度区间的距离平方校正信号取对数后的斜率，得到两个波长对应的斜率序列；
S5、基于两个波长对应的斜率序列确定包含洁净大气高度区间的标定信号；
S6、基于标定信号计算两个波长的雷达常数，并计算得到标定常数。
2.根据权利要求1所述的多波长激光雷达颜色比标定方法，其特征在于：S1中确定需要标定的标定常数，包括：
对于任意两个波长，高度z处激光雷达颜色比采用下式计算：
，
其中，为高度z处波长/>的距离平方校正信号，/>为高度z处波长的距离平方校正信号，/>为雷达系统参数，即为需要标定的标定常数。
3.根据权利要求2所述的多波长激光雷达颜色比标定方法，其特征在于：S2中获取参与激光雷达颜色比计算的波长对中两个波长的回波信号扣除背景后的目标回波信号，包括：
分别取各通道20km~30km回波信号的平均值作为背景值，将对应通道0~30km回波信号依次减去各自通道的背景值，得到高度z处两个波长的回波信号扣除背景后的目标回波信号、/>。
4.根据权利要求3所述的多波长激光雷达颜色比标定方法，其特征在于：S3中从波长对有效起始高度开始分别计算两个波长的回波信号信噪比，包括：
采用下式计算高度z处波长的回波信号信噪比/>：
，
其中，为高度z处波长/>的目标回波信号，/>为波长/>的回波信号噪声，采用下式计算：
，
上式中，为波长/>的回波信号序列中的第i个数据，m为计算信号本底噪声的数据序列起点，n为计算信号本底噪声的数据个数，/>为i取m~m+n区间时/>的数学平均值。
5.根据权利要求4所述的多波长激光雷达颜色比标定方法，其特征在于：S3中判定激光雷达颜色比的有效探测距离，包括：
若在高度z处任意一个波长的回波信号信噪比小于3，则判定此时的高度z为激光雷达颜色比的有效探测距离；
当高度时，则进入S4；否则重新选择参与激光雷达颜色比计算的波长对，并返回S2。
6.根据权利要求5所述的多波长激光雷达颜色比标定方法，其特征在于：S4中计算洁净大气高度区间的距离平方校正信号取对数后的斜率，得到两个波长对应的斜率序列，包括：
S41、有以下激光雷达方程：
，
其中，为波长/>的雷达常数，在洁净大气高度区间，气溶胶后向散射系数，气溶胶消光系数/>，/>为0~z范围内任意一个高度；
S42、激光雷达方程演变为：
（1），
其中，为高度z处波长/>的距离平方校正信号，采用下式计算：
；
为高度z处波长/>对应的分子后向散射系数，采用下式计算：
；
为高度z处波长/>对应的分子消光系数，采用下式计算：
；
S43、对（1）式左右取对数：
（2），
S44、将（2）式左右对高度z求导：
，
S45、基于雷达距离分辨率计算5km~8km范围内两个波长的/>，得到两个波长对应的实测斜率序列/>、/>，然后计算/>得到两个波长对应的理论斜率序列/>、/>，两个波长对应的实测斜率序列、/>和理论斜率序列/>、/>的数据个数均为/>。
7.根据权利要求6所述的多波长激光雷达颜色比标定方法，其特征在于：S5中基于两个波长对应的斜率序列确定包含洁净大气高度区间的标定信号，包括：
S51、采用下式计算波长的实测斜率序列/>与理论斜率序列/>中对应斜率值之间的误差：
（3），
其中，为波长/>的实测斜率序列/>与理论斜率序列/>中第b个斜率值之间的误差，/>为实测斜率序列/>中第b个斜率值，/>为理论斜率序列/>中第b个斜率值；
S52、当基于（3）式计算得到两个波长的实测斜率序列与理论斜率序列中对应斜率值之间的所有误差、/>均小于10%时，判定5km~8km范围内为洁净大气高度区间，并确定相应的/>、/>为包含洁净大气高度区间的标定信号；否则重新选择参与激光雷达颜色比计算的波长对，并返回S2。
8.根据权利要求7所述的多波长激光雷达颜色比标定方法，其特征在于：S6中基于标定信号计算两个波长的雷达常数，并计算得到标定常数，包括：
S61、基于包含洁净大气高度区间的标定信号，结合（1）式计算高度h处波长的雷达常数/>：
（4），
其中，高度h取值范围为洁净大气高度区间，即5km~8km，为0~h范围内任意一个高度；
S62、基于（4）式计算得到高度h处波长的雷达常数/>，以及高度h处波长的雷达常数/>；
S63、在洁净大气高度区间分别取、/>的算术平均值，得到对应的两个波长的雷达常数/>、/>；
S64、采用下式计算标定常数：
。
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