[發(fā)明專利]一種基于激光雷達(dá)的氣溶膠垂直廓線的反演方法

有效

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• 申請日: 2019-09-06
• 公開（公告）號: CN110441777B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳儀;鄧孺孺;秦雁;梁業(yè)恒;熊龍海;許敏端;張銳豪;曹斌;湯玉明;歐陽宇純;李俊;艾先俊;劉永明
• 申請（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號: G01S13/95
• 分類號: G01S13/95
• 代理公司: 廣州新諾專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44100
• 代理人: 李小林

本發(fā)明公開的一種基于激光雷達(dá)的氣溶膠垂直廓線的反演方法，結(jié)合了米散射激光雷達(dá)的工作原理，以及激光在大氣中的輻射傳輸過程，建立了米散射激光雷達(dá)氣溶膠的質(zhì)量濃度及粒子譜的反演模型，經(jīng)本方法計算氣溶膠光學(xué)厚度后，可以從光學(xué)遙感圖像中直接反演氣溶膠近地面質(zhì)量濃度，本發(fā)明搭建了遙感數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)間的橋梁，提高了遙感反演精度，并克服了大氣遙感只能反演氣溶膠立柱濃度的瓶頸，直接反演得到氣溶膠近地面質(zhì)量濃度，從而直觀評估大氣污染對人類健康的危害，對大氣遙感的意義尤為突出。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于整體提升施工技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種基于激光雷達(dá)的氣溶膠垂直廓線的反演方法。

背景技術(shù)

遙感衛(wèi)星監(jiān)測得到的是氣溶膠的光學(xué)厚度，表征的是氣溶膠顆粒物的粒柱濃度，即氣溶膠質(zhì)量濃度從地面到高空垂直向的積分。由于其不能直接監(jiān)測近地面的氣溶膠質(zhì)量濃度，因此難以直接評估大氣污染對人類健康的危害性。另外，遙感反演結(jié)果常以地面監(jiān)測的地面氣溶膠質(zhì)量濃度作為驗證數(shù)據(jù)，遙感反演的立柱濃度與因此難以與驗證數(shù)據(jù)所測量的地面濃度建立直接聯(lián)系，對遙感反演的精度評估造成影響。

目前解決該問題的方法主要有以下兩種：

一是：利用隨機森林、深度學(xué)習(xí)、加權(quán)回歸分析、廣義可加模型等經(jīng)驗統(tǒng)計模型直接建立對遙感反演的氣溶膠立柱濃度和地面監(jiān)測站點的顆粒物質(zhì)量濃度的統(tǒng)計關(guān)系，無需深入了解大氣機理，但由于大氣污染時空變化極快，其來源和形成機制復(fù)雜多樣，壽命大多僅有一周，但卻可以跨越大洋傳播，因此在垂直向、水平向分布、時間分布的特征均存在極大的變化特征，經(jīng)驗分析需要大量的數(shù)據(jù)作為樣本，而廣東氣象條件較為復(fù)雜，大氣污染監(jiān)測分析較為困難，因此使用地面驗證數(shù)據(jù)與遙感反演AOD結(jié)果建立經(jīng)驗關(guān)系有一定的局限。

二是：已有的星載、地基激光雷達(dá)等主動遙感方式，星載極光雷達(dá)雖然能直接測量大氣垂向分布特征，但此類衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幅寬有限，重返周期較長，鄰近亞軌道的間隔較大，垂直向分辨率與水平向分辨率較低，受到人眼安全及體積的限制，雷達(dá)功率極低，信噪比較低，且儀器狀態(tài)不穩(wěn)定，算法復(fù)雜且反演精度不穩(wěn)定，無法滿足氣溶膠垂直分布規(guī)律分析精度、分辨率、尺度上的要求。

目前，地基激光雷達(dá)主要存在的問題在于，一，假定高空氣溶膠含量較為稀薄，其氣溶膠消光散射系數(shù)已知，作為邊界值，從而由高空向下反演，但高空信噪比極低，依賴邊界層的算法主要目的是避免計算雷達(dá)常數(shù)。而計算雷達(dá)常數(shù)的困難在于，要系統(tǒng)的研究雷達(dá)內(nèi)部的工作原理，很多參數(shù)需要廠家對于儀器進行校準(zhǔn)和測定，且由于涉及商業(yè)機密，雷達(dá)廠家常常拒絕提供部分雷達(dá)參數(shù)，因此實現(xiàn)難度較大；二，為了避免求解病態(tài)方程，使用某一個20到70之間的常數(shù)作為氣溶膠消光散射比參數(shù)。上述參數(shù)的選取精度均極大影響模型的穩(wěn)定性及精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有方法的缺陷，提供一種基于激光雷達(dá)的氣溶膠垂直廓線的反演方法，可利用激光雷達(dá)有效反演氣溶膠垂直廓線，從而建立氣溶膠不同高度質(zhì)量濃度與光學(xué)厚度的函數(shù)關(guān)系，搭建遙感與地面測量的橋梁，直觀評估大氣污染對人類的危害。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下方案進行實施：

一種基于激光雷達(dá)的氣溶膠垂直廓線的反演方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)大氣在不同高度上的壓力和溫度，計算大氣的在不同高度的密度，并根據(jù)所述壓力、溫度和密度，計算大氣分子以及氮氣分子在不同高度的消光系數(shù)與散射系數(shù)，根據(jù)所述大氣分子以及氮氣分子在不同高度的消光系數(shù)與散射系數(shù)；

S2、將激光雷達(dá)水平放置發(fā)射激光，測量均勻大氣的激光雷達(dá)回波信號，在遠(yuǎn)距離無幾何重疊處聯(lián)立多個信號，求解均勻大氣的氣溶膠消光系數(shù)和散射系數(shù)和在不同高度的激光雷達(dá)幾何重疊因子；

S3、引入在不同高度的激光雷達(dá)幾何重疊因子，使用拉曼激光雷達(dá)測量所述氣溶膠的消光系數(shù)與散射系數(shù)在不同高度上的垂向分布，并計算所述氣溶膠在不同高度上的消光散射比；