[發明專利]一種多波長激光雷達氣溶膠粒子譜分布反演方法及系統

在審

• 申請號: 201810345016.4
• 申請日: 2018-04-17
• 公開（公告）號: CN108535149A
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 劉振興;陸劍鋒
• 申請（專利權）人: 泰州職業技術學院
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01S17/88
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王戈

本發明公開了一種多波長激光雷達氣溶膠粒子譜分布反演方法及系統，該方法包括：獲取光學數據和正則參數；光學數據包括氣溶膠消光系數和氣溶膠后向散射系數；確定核矩陣；根據核矩陣、光學數據以及正則參數，計算權系數；根據光學數據、核矩陣、權系數，計算評估誤差；確定評估集合；判斷評估誤差是否在評估集合內，若否則調整正則參數，返回計算權系數步驟，若是則根據權系數，反演確定大氣氣溶膠粒子譜分布。與現有技術相比，本發明通過采用NCRE算法選取合適的正則參數，實現大氣氣溶膠粒子譜分布精確反演，且計算簡單，適用范圍廣。

技術領域

本發明涉及激光雷達數據技術領域，特別涉及一種多波長激光雷達氣溶膠粒子譜分布反演方法及系統。

背景技術

氣溶膠是大氣的成分之一，它對氣候變化、環境污染、人類健康等有重要的影響而成為全球關注的焦點。特別近些年來，在全球各地越來越頻繁發生的沙塵、霧霾現象，使得氣溶膠的物理化學以及光學屬性受到越來越多的關注。氣溶膠消光系數、粒子譜分布等是氣溶膠的基本光學和物理特性，它們對于研究氣溶膠的輻射迫力和氣溶膠對氣候變化的影響有非常重要的作用。此外，氣溶膠粒子譜分布也是重要的環境質量標準之一，氣溶膠對人體健康的影響與氣溶膠顆粒的粒徑大小有關。因此，精確測量氣溶膠粒子譜分布及其時空變化十分重要。

現階段對氣溶粒子譜觀測分析的方法主要有直接采樣分析法和遙感法。直接采樣分析法主要采用粒子譜儀和光譜儀等直接獲取氣溶膠粒子譜相關數據并進行分析，但這種方法局限于點測量，無法實現大范圍空間上的連續探測。遙感法采用太陽光度計、激光雷達等遙感探測工具對大氣氣溶膠進行探測，并使用專門的算法對遙感數據進行處理，從而獲取氣溶膠粒子譜分布的信息。其中，激光雷達作為主動遙感探測工具，可連續探測氣溶膠高分辨率的時空分布，具有明顯的優勢。特別是多波長激光雷達技術，可以同時獲取多個波長的激光雷達信號與氣溶膠粒子相互作用的信息，對氣溶膠粒子譜分布等進行探測，廣受關注。

多波長激光雷達氣溶膠粒徑分布探測，是通過探測多個波長的激光與大氣分子和氣溶膠粒子相互作用產生的后向散射光信號，反演氣溶膠消光系數和后向散射系數，進而利用獲得的光學數據，采用相關的方法求解第一類Fredholm積分方程，從而得到氣溶膠粒子譜分布。第一類Fredholm積分方程表示了氣溶膠物理特性與光學特性之間的關系，但該方程不能直接進行求解，需應用一些特別的數學方法進行處理，否則會產生不適定反演問題。因此，采用何種方法求解第一類Fredholm積分方程，是實現氣溶膠粒子譜分布高精度反演的先決條件。

目前，求解第一類Fredholm積分方程常用帶約束條件的正則法進行求解，該方法不需要預先知道解的形式，可以采用與不適定問題相鄰近的適定問題的解去逼近不適定問題的解，其反演的能力已經在相關研究中證明。但如何選取正則參數一直是亟待解決的技術問題，因為過大的正則參數會使反演結果過度平滑，丟失有用信息，而過小的正則參數會使反演結果產生振蕩，去噪不充分。現有方法利用GCV(Generalized Cross-Validation)法確定正則參數，即選取GCV參數取最小值時的拉格朗日乘子作為正則參數。當拉格朗日乘子取值較小的時候，GCV參數隨拉格朗日乘子的增大而減小，并出現強烈的抖動，說明GCV參數值不穩定；當拉格朗日乘子取某一范圍值時，抖動消失，并且當拉格朗日乘子取全局最小值時，GCV參數值達到穩定；當拉格朗日乘子取值大于全局最小值時，GCV參數繼續增加。該方法需計算GCV參數，并且需分析參數值隨拉格朗日乘子的變化過程，因而存在計算復雜、只適合某些特定場合等不足。

發明內容

本發明的目的是提供一種多波長激光雷達氣溶膠粒子譜分布反演方法及系統，通過采用NCRE算法選取合適的正則參數，實現大氣氣溶膠粒子譜分布精確反演，且計算簡單，適用范圍廣。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種多波長激光雷達氣溶膠粒子譜分布反演方法，所述多波長激光雷達氣溶膠粒子譜分布反演方法包括：