一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法

摘要

本发明公开了一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法，包括水汽探测波长选择、水汽吸收波长与非吸收波长吸收截面计算与修正、水汽浓度反演与标定。利用微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布自动连续探测装置，获得特定谱线上水汽吸收特征的后向散射信号，经计算机利用差分吸收光谱分析方法进行反演和标定，得到高时间分辨率、高空间分辨率和高精度的水汽立体分布数据。

主权项

一种微脉冲差分吸收激光雷达水汽时空分布反演方法，其特征在于：实现步骤如下：（1）测量水汽吸收峰探测波长λ1的线宽Δλon和中心波长λon，以及水汽非吸收峰探测波长λ2的精确线宽Δλoff和中心波长λoff；所述水汽吸收峰探测波长λ1具有宽线宽特征，中心波长λon位于890‑980nm之间的某个水汽吸收峰上，线宽Δλon大于2.5nm，能够覆盖水汽的多个吸收谱线；所述水汽非吸收峰探测波长λ2线宽Δλoff不限，为宽线宽或窄线宽的激光，中心波长λoff位于860‑890nm或者980‑1070nm范围内的水汽非吸收峰上；（2）利用大气分子光谱数据库HITRAN2008，即HITRAN Database提取水汽谱线线强，利用谱线卷积方法对HITRAN Database提取水汽谱线线强进行温度修正和谱线展宽修正，计算获取与测量同等条件，每个谱线不同高度的标准吸收截面： δ i ( v , r ) = S i ( T ) ⊗ F iL ( v ) ⊗ F iG ( v ) - - - ( 1 ) 其中，i表示HITRAN Database提取不同波长的水汽谱线线强序列，T为绝对温度，ν为波数，Si(T)为温度和压力修正的线强函数，FiL(ν)为洛仑兹展宽修正函数，FiG(ν)多普勒展宽修正函数；δi(ν,r)为修正后获取的标准吸收截面，其随高度不同而变化；（3）利用逐线积分方法，分别对所述步骤（1）测得水汽吸收峰探测波长线宽Δλon和水汽非吸收峰探测波长线宽Δλoff谱线范围内，经步骤（2）修正后获取的标准吸收截面δi(ν,r)进行逐线积分，分别获得不同高度水汽吸收峰探测光吸收截面δ(λon,r)和非吸收峰探测光的吸收截面δ(λon,r)： δ ( v , r ) = Σ i [ δ i ( v , r ) ] - - - ( 2 ) （4）由所述步骤（3）计算获得的不同高度水汽吸收峰探测光吸收截面δ(λon,r)和非吸收峰探测光的吸收截面δ(λoff,r)，计算不同高度处的水汽差分吸收差分截面Δδ(r)：Δδ(r)＝δ(λon,r)‑δ(λoff,r)（5）列出米散射激光雷达方程，气溶胶在水汽吸收峰和非吸收峰探测波长处对应的米散射激光雷达方程为： P ( r ) = P t kC ( r ) r - 2 β ( r ) exp { - 2 ∫ 0 r α ( r , ) d r , } P(r)是激光雷达接收到距离r处的后向散射信号功率（W），Pt是激光发射功率（W），k 为激光雷达系统常数(W·km3·Sr)，C（r）激光雷达几何校正因子，距离r是时间的函数，β(r)是距离r处的总后向散射系数(km‑1·Sr‑1)，其中β(r)‑βα(r)|βm(r)，βα(r)和βm(r)分别是大气气溶胶和大气分子在距离r处的后向散射系数，α(r)是距离r处的总消光系数（km‑1），α(r)＝αα(r)+αm(r)，αα(r)和αm(r)分别表示处大气气溶胶和大气分子的在距离r处的消光系数；（6）对激光雷达过渡区数据进行几何因子校正，使得激光雷达探测盲区小于40m；对激光雷达方程进行距离修正，方程两边同时乘以地面到被测气溶胶粒子群高度的平方r2： P ( r ) r 2 = kC ( r ) P t [ β α ( r ) + β m ( r ) ] exp { - 2 ∫ 0 r [ α α ( r , ) + α m ( r , ) ] dr , } （7）确定标定高度rc、大气分子消光系数αm(r)、气溶胶消光系数标定值αa(rc)、大气分子消光后向散射比Sm、大气溶胶消光后向散射比Sα；根据Fernald提出激光雷达求解方法，建立求解水汽吸收峰探测波长对应中心波长λon和水汽非吸收峰探测波长对应中心波长λoff的气溶胶消光系数和后想散射系数的方法；所述标定高度rc通过选取几乎不含大气气溶胶粒子的清洁大气层所在的高度来确定，即P(r)r2/βm的最小值对应的高度r选择为rc；所述大气溶胶消光后向散射比Sα，依赖于探测激光波长、大气气溶胶粒子的尺度谱分布和折射指数，数值范围在0到90之间；Sa＝αa(r)/βa(r)              （3）所述大气分子消光后向散射比Sm由大气分子瑞利散射理论计算得到：Sm＝αm(r)/βm(r)＝8π/3             （4）所述大气分子消光系数αm(r)和大气分子后向散射系数βm(r)，通过公式获得： β m ( r ) = 1.54 × 10 - 3 exp ( - r 7 ) ( 532 λ ) 4 （5） α m ( r ) = β m ( r ) × 8 3 π 所述气溶胶消光系数边界值αa(rc)，先由大气气溶胶散射比获得标定高度rc处的气溶胶后向散射系数边界值βα(rc)，根据公式（3）计算气溶胶消光系数边界值αa(rc)，大气气溶胶散射比关系式为：1+βα(rc)/βm(rc)＝1.08               （6）根据Fernald提出激光雷达求解方法，所述大气气溶胶粒子消光系数，由标定高度rc处 以下的大气气溶胶粒子后向积分消光系数方程反演获取，大气气溶胶粒子后向积分消光系数方程： α a ( r ) = - S a S m · α m ( r ) + P ( r ) r 2 · exp [ 2 ( S a S m - 1 ) ∫ r r c α m ( r ′ ) dr ′ ] P ( r c ) r 2 α a ( r c ) + S a S m α m ( r c ) + 2 ∫ r r c P ( r ′ ) r ′ 2 exp [ 2 ( S a S m - 1 ) ∫ r r c α m ( r ′ ′ ) dr ′ ′ ] dr ′ 所述大气气溶胶粒子后向散射系数根据所述公式（3）大气溶胶消光后向散射比的定义进行反演计算；（8）根据所述步骤（7）中所述大气气溶胶粒子消光系数反演方法，反演获得水汽吸收峰探测波长中心波长λon处的气溶胶消光系数αα(λon,r)和水汽非吸收峰探测波长对应中心波长λoff的气溶胶消光系数αα(λoff,r)，再根据所述步骤（7）大气溶胶消光后比的定义分别获取水汽吸收峰和非吸收峰探测波长对用中心波长处的气溶胶后向散射系数βα(λon,r)和βα(λoff,r)；（9）列出水汽差分吸收激光雷达方程： n ( r ) = ( - 1 2 Δδ ( r ) ) d dr ln P ( λ on , r ) P ( λ off , r ) - 1 2 Δδ ( r ) ln β α ( λ on , r ) β α ( λ off , r ) - 1 Δδ ( r ) [ α α ( λ on , r ) - α α ( λ off , r ) ] - - - ( 8 ) 其中P(λon,r)和P(λoff,r)分别为所述为水汽吸收峰探测波长和水汽非吸收峰探测波长的探测光在高度r处的大气回波强度，由微脉冲激光雷达实际测量获得；αα(λon,r)、αα(λoff,r)、βα(λon,r)和βα(λoff,r)分别为所述探测波波长的气溶胶消光系数和后向散射系数；（10）根据步骤（9）中公式（8），由所述步骤（4）中计算不同高度处的水汽差分吸收差分截面Δδ(r)计算结果和所述步骤（7）对αα(λon,r)、αα(λoff,r)、βα(λon,r)和βα(λoff,r)的反演结果，对微脉冲激光雷达实测数据进行数据反演计算获得水汽浓度廓线；（11）根据所述步骤（6）微脉冲激光雷达探测盲区小于40m，可假设微脉冲激光雷达自动温湿度记录仪所在高度与微脉冲激光雷达有效数据高度间的水汽均匀，利用激光雷达自动温湿度记录仪测量的水汽浓度值对所述步骤（10）反演得到水汽浓度廓线中进行比对和标定，实现对水汽时空分布的反演和标定。