[發(fā)明專利]一種根據(jù)實(shí)時氣溶膠分布求解激光雷達(dá)動態(tài)雷達(dá)比的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110234821.1
• 申請日: 2021-03-03
• 公開（公告）號: CN113009437B
• 公開（公告）日: 2023-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳澗;張楚葳
• 申請（專利權(quán)）人: 云南大學(xué)
• 主分類號: G01S7/40
• 分類號: G01S7/40
• 代理公司: 昆明今威專利商標(biāo)代理有限公司 53115
• 代理人: 賽曉剛

本發(fā)明公開了一種根據(jù)實(shí)時氣溶膠分布求解激光雷達(dá)動態(tài)雷達(dá)比的方法，適用于晴空、少云的條件下。本發(fā)明包括以下步驟：1)氣溶膠消光系數(shù)傳感器測量得到地面實(shí)測氣溶膠消光系數(shù)α_a(r₀)；2)計(jì)算地面處雷達(dá)信號P(r₀)；3)給定適合本地的預(yù)估雷達(dá)比；4)擬合地面及混合均勻處的消光系數(shù)；5)反代入Fernald后向積分方程求解動態(tài)雷達(dá)；6)將反代算法進(jìn)行迭代；7)反演獲得氣溶膠消光系數(shù)的分布廓線。本發(fā)明在Fernald法的基礎(chǔ)上，提出一種根據(jù)實(shí)時氣溶膠分布求解動態(tài)雷達(dá)比的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)比本地化的目的，用于提高激光雷達(dá)反演算法的精度，從而可以獲得更精確的氣溶膠消光系數(shù)的分布廓線。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種求解雷達(dá)比的方法，具體涉及一種根據(jù)實(shí)時氣溶膠分布求解激光雷達(dá)動態(tài)雷達(dá)比的方法。

背景技術(shù)

激光雷達(dá)的原始方程為

其中，r表示高度；P(r)表示激光雷達(dá)歸一化后向散射信號；C表示雷達(dá)常數(shù)，E表示脈沖能量，在雷達(dá)穩(wěn)定工作的情況下，這兩個值被視為常數(shù)。值得注意的是，(1)式中包含兩個未知變量，顯然無法直接求解。Fernald在求解(1)時將大氣看成大氣分子與氣溶膠兩部分組成，即認(rèn)為大氣消光系數(shù)α是氣溶膠消光系數(shù)α_a與大氣分子的消光系數(shù)α_m之和(標(biāo)注a、m分別代表氣溶膠和大氣分子，后同)；后向散射系數(shù)β也看成由氣溶膠后向散射系數(shù)β_a和大氣分子后向散射系數(shù)β_m兩部分組成。則(1)式化為：

通常假設(shè)消光系數(shù)與后向散射系數(shù)比值(雷達(dá)比)為常數(shù)，對于大氣分子其消光α_m(r)和后向散射系數(shù)β_m(r)可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣廓線計(jì)算得理論值，故有：對于氣溶膠，有S_a＝α_a/β_a，其數(shù)值范圍一般在10到100sr之間。據(jù)此Fernald給出了激光雷達(dá)方程的解析解：

其中，參考位置r_c取6km，并且有α_a(r_c)+α_m(r_c)＝1.05α_m(r_c)。由后向積分公式(3)可知，根據(jù)某一參考位置的氣溶膠消光系數(shù)α_a(r_c)和該時刻的氣溶膠消光-后向散射比S_a，即可反演出氣溶膠消光系數(shù)的垂直廓線。另外推導(dǎo)過程中基本沒有省略與近似處理，雷達(dá)比的選取是最直接的影響反演精度的因子。

雷達(dá)比(其中β為大氣后向散射系數(shù)，α為大氣消光系數(shù))是時間和空間的復(fù)雜函數(shù)，它不僅與氣溶膠粒子的尺度譜分布有關(guān)，還和氣溶膠的組成緊密相關(guān)，其數(shù)值范圍一般在10到100sr之間。雷達(dá)比的精確性直接決定了氣溶膠消光廓線的反演精度，在氣溶膠分布變化較大的地區(qū)不精確的雷達(dá)比對反演結(jié)果的影響更大。在實(shí)際應(yīng)用中，由于氣溶膠或云霧粒子的光學(xué)特性非常復(fù)雜，準(zhǔn)確的激光雷達(dá)比取決于它們的光學(xué)性質(zhì)要實(shí)時獲取氣溶膠的屬性參數(shù)進(jìn)而計(jì)算動態(tài)雷達(dá)比并不容易，因此在實(shí)際應(yīng)用中往往將雷達(dá)比取固定值參與雷達(dá)反演。但是，固定值的使用必然會給雷達(dá)反演帶來誤差。

目前雷達(dá)比的計(jì)算方法，主要有兩大類：獨(dú)立測量法和聯(lián)合反演法。獨(dú)立測量分為多角度測量法、高光譜分辨率雷達(dá)法和拉曼雷達(dá)法，目前廣泛使用拉曼雷達(dá)法。聯(lián)合反演主要有利用衛(wèi)星測得的光學(xué)厚度限制激光雷達(dá)測得的氣溶膠消光系數(shù)的垂直積分法。盡管拉曼雷達(dá)和高光譜分辨率激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)不同高度氣溶膠激光雷達(dá)比的有效探測，但二者分光系統(tǒng)復(fù)雜、回波信號微弱、探測距離短、信噪比低，這限制了二者的實(shí)際應(yīng)用，而通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)限制激光雷達(dá)的聯(lián)合法，因?qū)握炯す饫走_(dá)來說衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率過低，故兩者數(shù)據(jù)不能完全對應(yīng)從而會造成較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容