[發(fā)明專利]基于激光雷達衛(wèi)星的地基激光雷達氣溶膠反演方法及系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113341432B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發(fā)明（設計）人: 鐘琬溱;馬昕;龔威;韓舸;史天奇;張豪偉;邱若楠;張家興;王成義;王苗苗
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/48
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

本發(fā)明提供一種基于激光雷達衛(wèi)星的地基激光雷達氣溶膠反演方法及系統(tǒng)，結(jié)合地基和星載激光雷達以提高氣溶膠廓線濃度反演的精度，反演過程包括基于間接平差利用地基激光雷達和星載激光雷達測得的方程解算一個周期內(nèi)的氣溶膠消光后向散射比的廓線；根據(jù)星載激光雷達的分層AOD產(chǎn)品，確定起始邊界點高度以及該高度的氣溶膠特性，確定后向積分的起算數(shù)值；根據(jù)確定的氣溶膠消光后向散射比和地基激光雷達的信號利用Fernald方法推導的氣溶膠消光系數(shù)公式，計算得到一定高度下氣溶膠消光系數(shù)，進一步得到氣溶膠光學厚度。本發(fā)明在污染較為嚴重、天氣狀況不佳時，也能獲得較為精確的數(shù)據(jù)，不僅具有較好的精度，也具有較強的穩(wěn)定性。

技術領域

本發(fā)明涉及大氣遙感領域，特別涉及基于激光雷達衛(wèi)星的地基激光雷達氣溶膠反演方法及系統(tǒng)，有效利用激光雷達衛(wèi)星提高基激光雷達氣溶膠廓線濃度反演的精度。

背景技術

氣溶膠對全球大氣環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在三個方面:首先,氣溶膠對太陽入射光具有吸收和散射特性，可以通過改變太陽輻射收支平衡來影響全球和區(qū)域氣候變化。同時，氣溶膠還能導致環(huán)境問題，引起區(qū)域灰霾和沙塵污染，對人體健康產(chǎn)生不利影響。最后，氣溶膠可以作為云的凝結(jié)核，影響大氣環(huán)境的水循環(huán)。歷史上的“倫敦煙霧”和“美國洛杉磯煙霧”就是很典型的氣溶膠污染事件，給人類的健康乃至生存的環(huán)境帶來了極大的危害。因此，對大氣氣溶膠的含量和特性進行長期準確的觀測和研究是必不可少的。目前主要有地基和衛(wèi)星兩大類激光雷達應用于大氣環(huán)境的AOD觀測。

激光雷達衛(wèi)星的分層AOD產(chǎn)品可連續(xù)觀測垂直于衛(wèi)星飛行軌跡方向上的全球范圍內(nèi)氣溶膠的垂直分布和云的特征信息。另一方面，激光雷達作為研究大氣氣溶膠各項光學性質(zhì)、空間垂直分布的重要大氣環(huán)境監(jiān)測工具,其發(fā)射的激光束能與大氣中的氣溶膠和云粒子相互作用,具有高靈敏度和高時空分辨率的優(yōu)勢。

顯然較于衛(wèi)星，利用地基激光雷達能獲得更高精度的大氣數(shù)據(jù)，但是受大氣污染和天氣狀況的影響，地基激光無法到達大氣層的一定高度，數(shù)據(jù)獲取將大大受限。因此本方法提出，基于激光雷達衛(wèi)星提高地基激光雷達氣溶膠反演的垂直分布范圍和精度。

由于大氣成分多樣性和大氣生物物理化學變化復雜性等因素的影響，從激光雷達后向散射回波信號中是一個較為復雜的過程，在對激光雷達方程以及相關參數(shù)進行假設的基礎上，提出了多種激光雷達方程反演算法，本發(fā)明選擇基于發(fā)展成熟的Fernald算法進行地基與星載激光雷達相結(jié)合的改進。Fernald法的優(yōu)點在于它考慮了激光在大氣中傳輸時，大氣分成大氣分子和氣溶膠粒子這兩種不同組分的共同作用。但是在Fernald法中存在兩個弊端：其一，需要憑借經(jīng)驗值來選取氣溶膠的消光后向散射比，而氣溶膠是大氣中最為活躍的份子之一，氣溶膠的消光后向散射比是隨大氣的物理、化學含量的不同而不斷變化的，這就給氣溶膠消光系數(shù)反演引入較大的誤差；其二，通過尋求潔凈大氣層來確定標定高度，但在實際的對流層中基本不存在氣溶膠含量為0的高度，另一方面，由于大氣污染等因素，要進行從低空到高空大范圍覆蓋的激光雷達觀測是有一定難度的，這給氣溶膠反演帶來不可避免的誤差。本方法結(jié)合地基和星載可以解決這兩個問題，為提高氣溶膠廓線濃度反演的精度提供有力的幫助。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術問題在于針對潔凈大氣層這一假設下的傳統(tǒng)反演精度較低，提供一種基于激光雷達衛(wèi)星改進Fernald算法的反演新方案。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種基于激光雷達衛(wèi)星的地基激光雷達氣溶膠反演方法，結(jié)合地基和星載激光雷達以提高氣溶膠廓線濃度反演的精度，反演過程包括如下步驟，

步驟1，基于間接平差利用地基激光雷達和星載激光雷達測得的方程解算一個周期內(nèi)的氣溶膠消光后向散射比的廓線；

步驟2，根據(jù)星載激光雷達的分層AOD產(chǎn)品，確定起始邊界點高度以及該高度的氣溶膠特性，確定后向積分的起算數(shù)值；

步驟3，根據(jù)步驟1確定的氣溶膠消光后向散射比和地基激光雷達的信號利用Fernald方法推導的氣溶膠消光系數(shù)公式，計算得到一定高度下氣溶膠消光系數(shù)，進一步得到氣溶膠光學厚度。