基于激光雷达的混合层高度的自动反演方法

摘要

本发明涉及一种基于激光雷达的混合层高度的自动反演算法，首先对激光雷达回波信号进行反演，获得气溶胶后向散射廓线图，然后设定拟合初始值，通过比较由不同初始值而得出的不同混合层高度来确定合适初始值，并使用改进后的梯度法，用误差函数拟合原始信号来获取混合层高度信息。本发明利用云高仪的气溶胶后向散射回波信号图，得出气溶胶消光系数廓线分布廓线图，通过对传统梯度法的改进用误差函数去拟合与原始信号最接近的曲线，从而能够准确求得混合层高度，具有误差小，鉴别力高，能够很好的识别所需信息的优点。

主权项

1.一种基于激光雷达的混合层高度的自动反演方法，其特征在于：首先对激光雷达回波信号进行反演，获得气溶胶后向散射廓线图，然后设定拟合初始值，通过比较由不同初始值而得出的不同混合层高度来确定合适初始值，并使用改进后的梯度法，用误差函数拟合原始信号来获取混合层高度信息；方法步骤为：(1)列出激光雷达方程，选取激光波长为905nm，对应的激光雷达方程为：P(R)＝P_tCη(R)R^-2[β_α(R)+β_m(R)]T_a²(R)T_m²(R)；式中P(R)为激光雷达回波功率，P_t为激光发射功率，为大气探测激光雷达系统常数，c为光速，τ为激光器脉宽，T为雷达接收系统的光学效率，A_r是接收单元的有效孔径，β_a(R)和β_m(R)分别为高度R处大气气溶胶和空气分子的后向散射系数；$T_a\left(R\right)=\exp [-{\int }_0^R{\alpha }_a(R^{,},\lambda )d{R}^{,}]$为大气探测激光雷达至对应高度处大气气溶胶透过率，$T_m\left(R\right)=\exp [-{\int }_0^R{\alpha }_m(R^{,},\lambda )d{R}^{,}]$是相应的空气分子透过率，α_a(R’，λ)和α_m(R’，λ)分别为高度R处大气气溶胶和空气分子的消光系数，η(R)是激光雷达的几何重叠因子，所述几何重叠因子总为1；(2)对所述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：X(R)＝P(R)R²＝P_tCη(R)[β_α(R)+β_m(R)]T_a²(R)T_m²(R)；(3)确定标定高度R_c、大气分子消光系数α_m(R)、气溶胶消光系数标定值α_a(R_c)、大气分子消光后向比S₁、气溶胶消光后向比S₂；所述标定高度R_c的确定：所述R_c为近乎不含气溶胶的清洁大气层所在对流层顶附近的高度，根据资料选取R_c＝20km；所述大气分子消光后向比S₁的确定：对于905nm波长的激光，选取S₁＝40Sr；所述气溶胶消光后向比S₂的确定：根据瑞利散射理论得到S₂＝α_m(R)/β_m(R)＝8π/3Sr；所述大气分子消光系数α_m(R)的确定：先由公式$\left\{\begin{array}{c}{\beta }_m\left(R\right)=1.54\times {10}^{-3}\exp (-\frac{R}{7}){\left(\frac{532}{\lambda }\right)}^4\\ {\alpha }_m\left(R\right)={\beta }_m\left(R\right)\times \frac{8}{3}\pi \end{array}\right.$得出905nm波长的大气分子后向散射系数β_m(R)，再由公式S₂＝α_m(R)/β_m(R)＝8π/3，求得大气分子消光系数α_m(R)；所述气溶胶消光系数标定值α_a(R_c)的确定：由气溶胶散射比和波长之间的公式$R^{\prime }({\lambda }_2,R)=1+{\left(\frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_1}\right)}^{4-n}[R^{\prime }({\lambda }_1,R)-1],$取n＝1，由标准值R₅₃₂＝1.01得到905nm波长的气溶胶散射比R’₉₀₅＝1.05，再将R_c＝20km代入公式$\left\{\begin{array}{c}{\beta }_m\left(R\right)=1.54\times {10}^{-3}\exp (-\frac{R}{7}){\left(\frac{532}{\lambda }\right)}^4\\ {\alpha }_m\left(R\right)={\beta }_m\left(R\right)\times \frac{8}{3}\pi \end{array}\right.$得到大气分子标定系数消光值α_m(R_C)和大气分子后向散射系数标定值β_m(R_C)，将R′₉₀₅和β_m(R_C)带入气溶胶散射比公式R′＝1+β_a(R_C)/β_m(R_C)求得气溶胶后向散射系数标定值β_a(R_c)，最后由公式${\alpha }_a\left(R\right)=-\frac{S_1}{S_2}{\alpha }_m\left(R\right)$$+\frac{X\left(R\right).\exp \left[2(\frac{S_1}{S_2}-1){\int }_R^{R_c}{\alpha }_m\left(R\right)\mathrm{dR}\right]}{\frac{X\left(R_c\right)}{{\alpha }_a\left(R_c\right)+\frac{S_1}{S_2}{\alpha }_m\left(R_c\right)}+2{\int }_R^{R_c}X\left(R\right)\exp \left[2(\frac{S_1}{S_2}-1){\int }_R^{R_c}{\alpha }_m\left(R\right)\mathrm{dR}\right]\mathrm{dR}}$获得消光系数标定值α_a(R_c)；(4)获得气溶胶消光系数后，根据大气分子消光后向比S₁，获得气溶胶后向散射系数β_a(R)，绘出后向散射廓线图；(5)用误差函数拟合原始信号，得到拟合后理想曲线表达方程$B\left(R\right)=\frac{B_m+B_u}{2}-\frac{B_m-B_u}{2}\mathrm{erf}\left(\frac{R-H}{s}\right),$方程中B_m是混合层后向散射系数平均值，B_u是混合层上空后向散射系数平均值，R是高度，H是混合层平均厚度，s与夹带层的厚度有关；(6)设从后向散射廓线图中进行观察，如有两个明显的梯度变化，不能马上确定M₁初始值，选择第一个梯度出现的地方p1，给p1处的M₁设定一个初始值；(7)选择第二个梯度出现的地方p2，给p2处的M₁设定另一个初始值；(8)比较M₁为不同初始值时取得的混合层高度，结合测量地点、该地近期气象参数，选择符合该地区上空混合层高度的特征数值。