[發明專利]大氣污染物垂直分布的實時反演方法、裝置、計算機設備和存儲介質

在審

• 申請號: 202111387950.0
• 申請日: 2021-11-22
• 公開（公告）號: CN114112935A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 劉誠;李啟華;邢成志;林華;談偉;劉浩然
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 曹兆霞

1.一種大氣污染物垂直分布的實時反演方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，獲取利用超光譜遙感技術實時采集的多仰角觀測的高分辨率光譜，根據高分辨率光譜擬合得到大氣污染物多仰角觀測的實測光路總濃度；

步驟2，采用輻射傳輸模型模擬地面光強得到模擬光強，并結合大氣污染物特征吸收截面將模擬光強轉換為模擬光路總濃度；

步驟3，計算模擬光強對分層的大氣污染物濃度分布的偏微分以得到模擬光強的雅克比矩陣，利用模擬光強的雅克比矩陣并結合大氣污染物特征吸收截面計算模擬光路總濃度的雅克比矩陣，即迭代權重函數；

步驟4，以最小化帶迭代權重函數的實測光路總濃度和模擬光路總濃度為目標函數，采用基于最小二乘法的最優化迭代估計方法迭代求解以得到大氣污染物垂直分布。

2.根據權利要求1所述的大氣污染物垂直分布的實時反演方法，其特征在于，步驟1中，在獲得多仰角觀測的高分辨率光譜后，從高分辨光譜中過濾掉隨波長做慢變化的光譜結構，將剩余光譜與大氣污染物的標準參考光譜進行最小二乘法擬合，以得到每種大氣污染物每個角度觀測的實測光路總濃度。

3.根據權利要求1所述的大氣污染物垂直分布的實時反演方法，其特征在于，步驟2中，通過采用輻射傳輸模型模擬地面光強得到模擬光強包括目標污染氣體存在于大氣中時的模擬光強I₁和目標污染氣體不存在于大氣中時的模擬光強I₀，利用模擬光強I₁和模擬光強I₀，并結合大氣污染物特征吸收截面σ計算模擬光路總濃度dSCD_model，其表達式為：

其中，模擬光強I的上標表示觀測仰角，其中，90表示90度觀測仰角，β為除90度之外的其它觀測仰角，和分別表示目標污染氣體不存在于大氣中時以β度觀測仰角和90度觀測仰角觀測時的模擬光強，和分別表示目標污染氣體存在于大氣中時以β度觀測仰角和90度觀測仰角觀測時的模擬光強。

4.根據權利要求1所述的大氣污染物垂直分布的實時反演方法，其特征在于，步驟3中，采用以下公式計算計算模擬光強對分層的大氣污染物濃度分布的偏微分以得到模擬光強的雅克比矩陣J：

其中，模擬光強I包括目標污染氣體存在于大氣中時的模擬光強I₁和目標污染氣體不存在于大氣中時的模擬光強I₀，c表示每層目標污染氣體的濃度。

5.根據權利要求1所述的大氣污染物垂直分布的實時反演方法，其特征在于，步驟3中，利用模擬光強的雅克比矩陣并結合大氣污染物特征吸收截面計算模擬光路總濃度的雅克比矩陣，即迭代權重函數WF表示為：

其中，上標表示觀測仰角，其中，90表示90度觀測仰角，β為除90度之外的其它觀測仰角，下標表示目前污染物是否存在于大氣中，其中，0表示目前污染物是不存在于大氣中，1表示目前污染物是存在于大氣中，和分別表示目標污染氣體不存在于大氣中時以β度觀測仰角和90度觀測仰角觀測時的模擬光強，和分別表示目標污染氣體存在于大氣中時以β度觀測仰角和90度觀測仰角觀測時的模擬光強，分別表示模擬光強的雅克比矩陣，σ表示大氣污染物特征吸收截面。

6.根據權利要求1所述的大氣污染物垂直分布的實時反演方法，其特征在于，步驟4中，利用迭代權重函數并采用基于最小二乘法的最優化迭代估計方法迭代求解時，獲得的目標大氣污染氣體垂直濃度分布迭代解為：

其中，c表示污染氣體的濃度或消光系數，下標n表示迭代步數，下標a表示反演所需先驗信息，S_a表示先驗誤差矩陣，表示迭代權重函數，表示實測dSCD誤差矩陣，dSCD_meas表示實測光路總濃度，dSCD_model表示模擬光路總濃度，γ_n是迭代因子，當γ_n大時迭代接近于梯度下降法，當γ_n小時迭代接近于高斯牛頓法。