CN115032653B 利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气特性的方法 （中国科学院合肥物质科学研究院）

(12)发明专利审查员公羽(73)专利权人中国科学院合肥物质科学研究院地址230031安徽省合肥市蜀山区(72)发明人谢晨波季杰赵明邢昆明王邦新吴德成刘东王英俭(普通合伙)34125利用扫描激光雷达探测几何因子区域大气一种利用扫描激光雷达探测几何因子区域域zg上方到标定距离z。范围内各高度处气溶胶数为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、假设扇面扫描胶消光系数廓线计算得到几何因子区域zg范围内的气溶胶消光系数α本发明利用扫描激光2并根据Fernald方法计算获得几何因子区域zg上方到标定距离z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，设因子区高度为zg,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：z(n)=zc·cos[a(n)](6)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散射比R₆=(S₂·a)/(S₁·am)+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气溶胶消光系数计算得到，将得到的R₁~R代入Fernald方程计算出A₁~A的气溶胶消光系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),βa(z)和β(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(km¹·sr1),a(z')和a(z')分别为距离z处的气溶胶消光系数和分子消光系数(km¹);3其中，X(z)=P(z)z²为距离平方信号，S₁=a(z)/βa(z)和S₂=a(z)/β(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：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(z)由瑞利散射理论计算获得。4技术领域[0001]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[0002]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。[0003]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。[0004]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。[0005]2002年，UllaWandinger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。[0006]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应用。发明内容[0007]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：[0008]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zg上方到标定距离z。范围内各高度处气溶胶消光系数；[0009]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zg,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5角大小为：[0011]设定标定距离为z。,由此确定不同天顶角扫描组所对应的标定高度：[0013]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和分子消光系数α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处与A,处相同；定义气溶胶后向散射比R₆=(S₂·aa)/(S₁·α)+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zg上方，第m+1~n组扫描组的标定高度在几何因子区高度zg下方；第1~m组各组对应的标定后向散射比R₆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代入Fernald方程计算出A₁~A的气溶胶消光系数；第m+1组的标定后向散射比R+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+1的值和Fernald方程计算得A+1的气溶胶消光系数；第m+2组的标定后向散射比R+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Rm+2的值和Fernald方程计算得Am+2的气溶胶消光系数；以此类推，直至算出A,处气溶胶消光系数；根据上述步骤获得A₁到A处的气溶胶消光系数，即可得到几何因子区域zg范围内的气溶胶消光[0014]本发明的优点在于：[0015](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。[0016](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。[0017](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[0018]图1为利用扫描激光雷达探测原理图；[0019]图2为垂直气溶胶消光系数廓线；[0020]图3为不同角度的气溶胶消光廓线；[0021]图4(a)为晴天前35组相对误差分布；[0022]图4(b)晴天前26组相对误差分布；[0023]图5(a)雾天前35组相对误差分布；[0024]图5(b)雾天前26组统计相对误差分布；[0025]图6(a)边界层高0.7km时测量误差；[0026]图6(b)边界层高1.2km时测量误差；[0027]图6(c)边界层高1.7km时测量误差；[0028]图7(a)晴天后4组统计相对误差分布；[0029]图7(b)雾天后4组统计相对误差分布；6[0032]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；[0033]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；[0034]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；具体实施方式[0040]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：[0041]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zg上方到标定距离z。范围内各高度处气溶胶消光系数。[0042]步骤S1中计算大气气溶胶后向系数步骤为： [0045]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),βa(z)和β(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·sr¹),aa(z')和a(z')分别为距离z处的气溶胶消光系数和分子消光系数(km¹);[0048]S13、将后向散射比代入(1)式计算大气气溶胶后向系数：[0050]大气气溶胶消光系数为：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(z)/β(z)为分子消光后向散射[0053]如图1所示，设几何因子区高度为zg,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：7[0055]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。,根据标定距离确定不同天顶角大小对应的标定高度：[0057]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[0058]表1扫描天顶角与对应标定高度组数天顶角10标定高度/km组数天顶角1°标定高度/km[0061]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和分子消光系数α与A₁处的气溶胶消光胶后向散射比R₆=(S₂·α)/(S₁·a)+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R₆也均相同。[0062]假定第1~m组扫描组的标定高度在几何因子区高度zg上方，第m+1～n组扫描组的标定高度在几何因子区高度zg下方。第1~m组各组对应的标定后向散射比R₆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代入Fernald方程可以计算出A₁~A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内，其对应的R,无法从S1中获得，由于同可由第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+1的值和Fernald方程便可计算得A+1的气溶胶消光系数。第m+2组的标定后向散射比R+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+2的值和Fernald方程便可计算得Am+2的气溶胶消光系数。以此类推，直至算出A处气溶胶消光系数。根据上述步骤获得A₁到A,处的气溶胶消光系数，即可得到几何因子区域zg范围内的气溶胶消光系数α。[0063]对于以上方案进行了仿真验证：8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[0065]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[0068]根据大气分层结构模型，假设在测量的空间和时间范围大气随高度均匀分层，即在同一高度处的大气后向散射比R₆相同。对在±10%的误差。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1中A与P高度处大，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(第的突变，并且误差随着扫描天顶角的增加而相对误差范围在±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。[0072]因为R,的误差与测量的相对误差在±10%以内[0075]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与垂直消光廓线在该高度处的R₆存在±10%的误差，以5%为步长则共5组数据，第36组在935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[0076]对比图7(a)、图7(b)可以发现，在相同天顶角下，雾天测量相对误差总天测量误差。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。[0077]扫描角度的随机误差[0078]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顶角的随机误差进行分析。[0079]如图8(a)、8(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[0080]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0.15km⁻¹、0.25km⁻¹、0.5km[0081]如图9(a)-9(c)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。[0082]扫描角度的系统误差[0083]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°。[0084]图10(a)-10(e)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，以图10(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，即对比图10(a)-10(c)可以发同时，各扫描组的误差范围也随着消光系数的增加而增加。[0085]其次，当底部消光系数保持不变，改变边界层高度的大小，即对比图10(c)-图10范围基本未发生改变。[0086]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。[0088]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