CN119439131A 一种基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法及系统 （武汉大学）

一种基于背景噪声迭代的星载激光雷达定本发明提出了一种基于背景噪声迭代的星载激光雷达夜间探测信号的定标；结合CALIPSO官方定标方法的策略，设定日夜间定标转换区无需采集背景噪声便实现星载激光雷达昼夜定于不同高度探测条件下的星载激光雷达在轨定2信号在探测机理上的线性关系求解背景噪声未知量，迭代更新定标系数与背景噪声未知p)代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的清洁大气分子衰减后向mp)代表大气分子的后向散射系数；和分别代表大气分pp代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为k的清洁大气分子与粒子共同贡献的衰减后向散ppp)分别代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的粒子与大气分子的后向散射系数；代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为k的粒子的双向ppp2p)p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总衰)3pp)分别代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的粒子与大气分子的后向散射系数；和T形(z,kn)分别代表探测点的海拔高度为zp构建原始探测信号和理想总衰减后向散射系数之间的关系，p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总衰减4pp步骤1.3：使用二维时空滑动窗口对不同场景不同廓线的定标系数C(kp)进行滑动平p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总衰减定的定标区域所对应的探测点高度集合；尖括号表示属于ZCali的不同高度z下得到的计算将稳健线性拟合迭代估算出的定标系数C(kp)和背景噪声NBack(kp)应用于星载激光雷p)代表星载激光雷达在海拔高度为z且廓线索引数为kp处的定标后得到的pp)和GA分别代表星载激光雷达的系统常数、激光脉冲能量和放大器增益系p选择平流层底一定温度、一定高度处构建沿水平方向多个定标转换区域，换区域的水平方向上沿星载激光雷达场景方5nightp)代表海拔高度为z且廓线索引数为kp处的星载激光雷达定标得到的夜)分别代表海拔高度为z且廓线索引数为pk处根据大气散射模型计算的日间和夜间大气分子衰减后向散射系数，代表与星载pppdayp)代表星载激光雷达在海拔高度为z且廓线索引数为kp处的背景噪声扣其中W代表定标转换系数；和瓦,代表相近纬度下对应的夜间和日间的清洁大气为了获得稳定而准确的定标转换系数W，根据星载激光雷达当前探测的日间场景所对光雷达在极地区域时其探测场景会多次经过同一纬度不好区分，按纬度插值后的W估计值p将随时空变化的定标转换系数W(t)乘以与该日间场景相邻的前一个夜间场景的定标系数的平均值得到该场景下的不同时间t对应的廓线索引数p6所述根据定标系数与背景噪声之间的关系更新背景噪声NBack(kp)的计p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总衰减定的定标区域所对应的探测点高度集合；尖括号表示属于ZCali的不同高度z下得到的计算p先利用星载激光雷达的探测信号和大气后向散射模型计算背景噪声的初始估计值为了获取最优的背景噪声，定义了迭代终止判别函数式δ(i)，当终止判别函数p间定标完成；所述背景噪声的初始估计值和迭代终止判别函数式δ(i)的计算公p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总衰减后向散射系数；代表廓线索引数为k处的背景噪声的初始估计值；r为星载激光p尖括号表示属于ZCali的不同高度z下得到的计对于探测信号以及理想衰减后向散射系数进行稳健线性拟合迭代，估算7结合得到的背景噪声与定标系数，将探测信号计算夜基于日夜清洁大气定标转换区域，由日间未定标信号以及夜间定标夜间探测信号定标模块，用于构造理想背景大气总衰减后向8表性的是美国航空航天局(NASA)在2006年发射的CALIPSO(Cloud_AerosolLidarandInfraredPathfinderSatelliteObservations)卫星及其搭载的CALIOP(Cloud_Aerosol载激光雷达载荷——云和气溶胶高光谱分辨率激光雷达(AerosolandCarbondioxideDetectionLidar,ACDL)第一次在卫星探测中采用了高光谱分辨率云和气溶胶探测技术，声分量；距离增益校正是基于激光雷达探测方程进行距离平方校正以及系统增益系数校的大气衰减后向散射信号，利用实际探测信号与理想信号之比计算探测信号的定标系数，[0006]CALIPSO官方夜间定标方法是根据大气分子散射模型估算出的大气信号来计算定9校正得到未定标信号；官方构建的最新V4版本方法认为34_38km处高度范围内云和气溶胶测信号的信噪比相比夜间探测急剧下降，导致夜间定标方法通常难以应用于日间。因此，CALIPSO官方日间定标方法基于高空洁净大气区域内气溶胶含量短期昼夜不变的基本假的CALIPSO官方日间定标方法中，首先依然使用和夜间相同的策略进行背景噪声扣除；其[0008]尽管目前主流的星载激光雷达定标方法，如CALIPSO的官方定标方法在学术研究[0009]CALIPSO官方昼夜定标方法中，背景噪声的采集与扣除都基于极高空区域的激光空探测信号的均值采集为背景噪声。这要求星载激光雷达记录的探测信号高度要足够高(如CALIPSO官方定标方法中规定的背景噪声扣除高度为97_112km)，对于记录探测信号高大气分子的载荷上升，导致探测信号中几乎不存在大气组分后向散射分量的假设不再满后向散射系数之间的关系，将基于大气散射模型构建的定标区域的理想衰减后向散射系[0011]为了解决星载激光雷达主流定标方法中背景噪声的采集方法依赖的信号探测高)代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的清洁大气分子衰减mp)代表大气分子的后向散射系数；T瑞(2,kp)pppp)分别代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的粒子与大气分子的后向散射系数；代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为k的粒子ppp2p)kp)代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的由大气散射模型构建的大气分)分别代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的粒子pp收到的原始探测信号定义所示，该式是属于y＝k·x+b形式的线性关系式，其中y＝P(z，[0034]基于该原理，可以避免如CALIPSO官方定标方法根据极高空探测信号采集背景噪p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总[0038]步骤1.1：首先对于探测信ppppp)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总表选定的定标区域所对应的探测点高度集合；尖括号表示属于ZCali的不同高度z下得到的[0044]将稳健线性拟合迭代估算出的定标系数C(kp)和背景噪声NBack(kp)应用于星载激pp标转换区域的水平方向上沿星载激光雷达场景方向)分别代表海拔高度为z且廓线索p引数为k处根据大气散射模型计算的日间和夜间大气分子衰减后向散射系数，代表ppp[0058]其中W代表定标转换系数；和[0059]为了获得稳定而准确的定标转换系数W，根据星载激光雷达当前探测的日间场景载激光雷达在极地区域时其探测场景会多次经过同一纬度不好区分，按纬度插值后的W估[0061]将随时空变化的定标转换系数W(t)乘以与该日间场景相邻的前一个夜间场景的p定标系数的平均值得到该场景下的不同时间t对应的廓线索引数为k下的日间定标p(t)代表纬度插值后得到的随探测经过的时间t变化的定标转换系数；代表与该日间p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总表选定的定标区域所对应的探测点高度集合；尖括号表示属于ZCali的不同高度z下得到的[0067]由于日间定标系数Cday(kp)的计算涉及到日间未定标信号[0069]先利用星载激光雷达的探测信号和大气后向散射模型计算背景噪声的初始估计pp日间定标完成；所述背景噪声的初始估计值和迭代终止判别函数式δ(i)的计算pp)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总p[0075]对于星载激光雷达夜间探测信号，基于大气散射模型构造理想衰减后向散射系夜探测信号的定标。本专利提出的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法相比[0095]下面结合图1至图5介绍本发明的具体实施方式为一种基于背景噪声迭代的星载[0096]如图1所示，本发明方法的具体实施方式为基于背景噪声迭代的星载激光雷达定)代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的清洁大气分子衰减)代表大气分子的后向散射系数；Tf(z,k)和分别代表大pp(z,k)代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为k的清洁大气分子与粒子共同贡献的衰减pp)分别代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的粒子与大气分子的后向散射系数；T形(2,kp)代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的粒子p2p)kp)代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的由大气散射模型构建的大气分p)分别代表探测点的海拔高度为z廓线索引数为kp的粒子与大气分子的后向散射系数；和f(,k)分别代表探测点的海拔高度p收到的原始探测信号定义所示，该式是属于y＝k·x+b形式的线性关系式，其中y＝P(z，[0115]基于该原理，可以避免如CALIPSO官方定标方法根据极高空探测信号采集背景噪p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总[0119]步骤1.1：首先对于探测信pppp[0123]所述一定的二维时空滑动窗口为横跨相邻场景数为5个且场景内平滑廓线数为p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总[0127]将稳健线性拟合迭代估算出的定标系数C(kp)和背景噪声NBack(kp)应用于星载激pp标转换区域的水平方向上沿星载激光雷达场景方向p)分别代表海拔高度为z且廓线索引数为kp处根据大气散射模型计算的日间和夜间大气分子衰减后向散射系数，cnion代表p[0145]其中W代表定标转换系数；和E,代表相近纬度下对应的夜间和日间的清洁[0146]为了获得稳定而准确的定标转换系数W，根据星载激光雷达当前探测的日间场景载激光雷达在极地区域时其探测场景会多次经过同一纬度不好区分，按纬度插值后的W估p[0148]将随时空变化的定标转换系数W(t)乘以与该日间场景相邻的前一个夜间场景的定标系数的平均值得到该场景下的不同时间t对应的廓线索引数为k下的日间定标p(t)代表纬度插值后得到的随探测经过的时间p)代表探测点的海拔高度为z且廓线索引数为kp的理想背景大气总表选定的定标区域所对应的探测点高度集合；尖括号表示属于ZCali的不同高度z下得到的[0155