本發(fā)明涉及激光雷達大氣探測，屬于大氣光學(xué)領(lǐng)域，具體是一種基于激光雷達測量數(shù)據(jù)計算整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法。

技術(shù)背景

大氣氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)是表征大氣渾濁度和氣溶膠含量的一個重要物理量。目前，整層大氣氣溶膠光學(xué)參數(shù)主要是在晴朗無云的天氣條件下利用太陽光度計測量，作為測量大氣光學(xué)厚度精度最高的工具得到了廣泛的應(yīng)用，但其無法獲得太陽被云遮擋時刻、夜間以及特定高度處氣溶膠光學(xué)參數(shù)。

激光雷達作為一種主動遙感工具已有幾十年的歷史，隨著激光雷達技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)成為目前對大氣、海洋和陸地進行高精度遙感探測的有效手段，廣泛用于激光大氣傳輸、全球氣候監(jiān)測、氣溶膠輻射效應(yīng)及大氣環(huán)境等研究領(lǐng)域。激光雷達可探測氣溶膠的垂直分布，打破了以太陽為光源的被動遙感只能探測整層氣溶膠特性的局限。激光雷達以其高垂直空間分辨率，高時間分辨率，時間上的連續(xù)監(jiān)測和測量精度等方面的優(yōu)勢在大氣氣溶膠監(jiān)測中有重要作用，是其它探測手段不可比擬的。

一般計算大氣氣溶膠光學(xué)厚度是通過測量大氣后向米散射信號反演得到氣溶膠消光系數(shù)的高度分布，再通過對氣溶膠消光系數(shù)的積分得到氣溶膠的光學(xué)厚度，但激光雷達的探測高度有限，特別是微脈沖激光雷達，一般白天可以探測3-5公里的高度，夜晚可以探測5-10公里的高度，遠遠小于整層大氣的高度。

鑒于上述原因本發(fā)明提出了一種利用激光雷達測量數(shù)據(jù)計算整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度的新方法，即利用氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線計算出氣溶膠標高，再結(jié)合地面消光系數(shù)計算整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種利用激光雷達水平和垂直觀測數(shù)據(jù)反演得到的整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度的新方法。針對激光雷達測量得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)Fernald方法反演得到消光系數(shù)垂直廓線進而得到標高，再結(jié)合斜率法反演得到近地面消光系數(shù)計算得到氣溶膠光學(xué)厚度。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于激光雷達測量數(shù)據(jù)計算整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法，其特征在于，由激光雷達分別垂直和水平測量大氣氣溶膠，激光雷達垂直和水平方向測量時間一致，根據(jù)探測到的數(shù)據(jù)進行反演得到大氣氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線和大氣氣溶膠近地面消光系數(shù)。將大氣氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線按高度分成指數(shù)衰減型、均勻型、近地面高值型和邊界層高值型四種類型，并根據(jù)這四種類型大氣氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線計算得到氣溶膠標高，將氣溶膠標高結(jié)合大氣氣溶膠近地面消光系數(shù)計算整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，具體包括如下步驟：

(1)基于激光雷達測量數(shù)據(jù)獲取大氣氣溶膠近地面消光系數(shù)：

基于激光雷達分別垂直和水平方向測量時的回波光子數(shù)，利用Fernald方法反演激光雷達的回波數(shù)據(jù)，得到大氣氣溶膠消光系數(shù)的高度分布廓線，利用斜率法反演得到近地面氣溶膠的消光系數(shù)；

(2)大氣氣溶膠標高的反演：

假設(shè)大氣氣溶膠濃度隨高度指數(shù)衰減時，且氣溶膠消光截面不隨高度發(fā)生變化的情況下，可以得到：

σ_a(z,λ)≈σ_a(0,λ)exp(-z/H_a) (1)

將(1)式對高度積分可得氣溶膠光學(xué)厚度的計算公式，

τ_a(λ)≈σ_a(0,λ)H_a (2)

其中：σ_a(z,λ)為高度z處波長為λ時的氣溶膠消光系數(shù)，σ_a(0,λ)為波長為λ時近地面的消光系數(shù)，τ_a(λ)是波長為λ時整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，H_a是大氣氣溶膠標高。

一般來講將步驟(1)中得到的氣溶膠消光廓線按照(1)式進行指數(shù)擬合，可以得到氣溶膠標高，但是通過對氣溶膠消光廓線的統(tǒng)計分析得到，在晴朗無云天氣條件下，并不是所有的氣溶膠消光廓線都隨高度指數(shù)衰減，因此本發(fā)明將氣溶膠垂直廓線分為指數(shù)衰減型、均勻型、近地面高值型和邊界層高值型四種類型4種類型，進行分段擬合得到氣溶膠標高；

(3)大氣氣溶膠光學(xué)厚度的反演：

將步驟(2)擬合得到的氣溶膠標高和步驟(1)反演得到的近地面消光系數(shù)帶入(2)式的氣溶膠光學(xué)厚度的計算公式，計算得到大氣氣溶膠光學(xué)厚度：

τ_a(λ)＝σ_a(0,λ)H_a。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明提供了一種利用激光雷達測量數(shù)據(jù)計算整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度的新方法，利用氣溶膠標高和近地面消光系數(shù)計算得到光學(xué)厚度，避免了因激光雷達有效探測高度遠小于整層大氣高度，直接對氣溶膠消光系數(shù)積分帶來的誤差。

本發(fā)明提供了一種利用激光雷達測量數(shù)據(jù)計算整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度的新方法，將標高分為四種類型，對不同時刻氣溶膠消光系數(shù)廓線按照不同的類型進行分段擬合計算得到氣溶膠標高，避免了將氣溶膠標高在長時間內(nèi)看成常數(shù)帶來的誤差。

本發(fā)明原理：使用激光雷達測量得到的回波光子數(shù)根據(jù)Fernald方法和斜率法反演得到氣溶膠垂直消光廓線和近地面氣溶膠的消光系數(shù)。在假設(shè)氣溶膠濃度隨高度指數(shù)衰減且氣溶膠消光截面不隨高度發(fā)生變化的情況下，利用激光雷達的消光系數(shù)廓線擬合得到氣溶膠標高，結(jié)合近地面消光系數(shù)計算得到整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度。

附圖說明

圖1為氣溶膠標高隨時間的變化圖；

圖2為氣溶膠光學(xué)厚度隨時間的變化圖。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。

一種基于激光雷達測量數(shù)據(jù)計算整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度的方法，其特征在于，由激光雷達分別垂直和水平測量大氣氣溶膠，激光雷達垂直和水平方向測量時間一致，根據(jù)探測到的數(shù)據(jù)進行反演得到大氣氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線和大氣氣溶膠近地面消光系數(shù)，將大氣氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線分成指數(shù)衰減型、均勻型、近地面高值型和邊界層高值型四種類型，并根據(jù)這四種類型大氣氣溶膠垂直消光系數(shù)廓線計算得到氣溶膠標高，將氣溶膠標高結(jié)合大氣氣溶膠近地面消光系數(shù)計算整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，具體包括如下步驟：

(1)基于激光雷達測量數(shù)據(jù)獲取大氣氣溶膠消光系數(shù)：

氣溶膠消光系數(shù)的反演一般都是建立在求解激光雷達方程的基礎(chǔ)之上，比較成功地算法有Collis的斜率算法、Klett法和Fernald法。米散射激光雷達探測氣溶膠的原理是通過雷達發(fā)射機向大氣中發(fā)射脈沖激光束，再由望遠鏡接收由大氣中分子、粒子產(chǎn)生的后向散射光，通過激光雷達方程求解出氣溶膠消光系數(shù)等參數(shù)。激光雷達方程可表示為

P(z)＝Cz^-2β(z)T²(z)

其中P(Z)是在距離Z處的雷達的回波強度，C是雷達系統(tǒng)常數(shù)，包括雷達發(fā)射強度、接收系統(tǒng)的衰減、幾何校正等。β(z)表示大氣的后向散射系數(shù)，表示大氣的透過率，σ(z)是大氣的消光系數(shù)。

本發(fā)明水平方向消光系數(shù)是由斜率法反演得到的，具體步驟為先對激光雷達方程兩邊同時取對數(shù)得到

$Ln\left(P\right(z\left)z^2\right)=Ln\[C\mathrm{\β}\left(z\right)\]-2{\∫}_0^z\mathrm{\σ}\left(z\right)dz$

假設(shè)大氣均勻，則全程的β(z)和σ(z)不隨Z變化，則上式可表示為

Ln[P(z)z²]＝Ln(Cβ)-2σz

該式是一個直線方程，以距離校正信號的對數(shù)為縱坐標，距離Z為橫坐標，用作圖法或最小二乘法，可獲得一直線，其直線斜率的-1/2就是σ值，由此可得水平消光系數(shù)。

對于氣溶膠垂直消光廓線利用Fernald方法反演。氣溶膠垂直消光系數(shù)的后向積分方程可表示為

${\mathrm{\σ}}_1\left(z\right)=\frac{X\left(z\right)\exp \[2(\frac{S_1}{S_2}-1){\∫}_z^{z_c}{\mathrm{\σ}}_2\left(z\right)dz\]}{\frac{X\left(z_c\right)}{{\mathrm{\σ}}_1\left(z_c\right)+\frac{S_1}{S_2}{\mathrm{\σ}}_2\left(z_c\right)}+2{\∫}_z^{z_c}X\left(z\right)\exp \[(\frac{S_1}{S_2}-1){\∫}_Z^{Z_C}{\mathrm{\σ}}_2\left(z^{\′}\right){\mathrm{dz}}^{\′}\]}$

其中，X(z)＝P(z)z²，為經(jīng)過距離校正的回波強度，σ₁(z)，σ₂(z)分別表示氣溶膠和大氣分子在高度z處的消光系數(shù)，β₁(z)，β₂(z)分別表示氣溶膠和大氣分子在高度z處的后向散射系數(shù)，Z_C為標定高度，σ₁(z_c)，σ₂(z_c)分別為標定高度處的氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù)，S₁＝σ₁(z) β₁(z)，分別為氣溶膠和大氣分子的消光散射比，由上式可知只要β₁(z_c)，z_C，S₁和S₂已知，就可以由Fernald后向算法逐步迭代求解得到氣溶膠的后向散射系數(shù)和消光系數(shù)。標定高度一般以標準大氣分子后向散射系數(shù)或消光系數(shù)為標準，通常會引入散射比，即取散射比R為1.01，這樣可以通過標準大氣分子的后向散射系數(shù)計算得到氣溶膠的后向散射系數(shù)β₁(z_c)。對于氣溶膠消光散射比S₁取為50，標定高度在白天取3-5km，夜晚取8-10km。

(2)大氣氣溶膠標高的反演：

假設(shè)大氣氣溶膠濃度隨高度指數(shù)衰減時，且氣溶膠消光截面不隨高度發(fā)生變化的情況下，可以得到：

σ_a(z,λ)≈σ_a(0,λ)exp(-z/H_a) (1)

將(1)式對高度積分可得氣溶膠光學(xué)厚度的計算公式，

τ_a(λ)≈σ_a(0,λ)H_a (2)

其中：σ_a(z,λ)為高度z處波長為λ時的氣溶膠消光系數(shù)，σ_a(0,λ)為波長為λ時近地面的消光系數(shù)，τ_a(λ)是波長為λ時整層大氣氣溶膠光學(xué)厚度，H_a是大氣氣溶膠標高。

一般來講將步驟(1)中得到的氣溶膠消光廓線按照(1)式進行指數(shù)擬合，可以得到氣溶膠標高，但是通過對氣溶膠消光廓線的統(tǒng)計分析得到，在晴朗無云天氣條件下，并不是所有的氣溶膠消光廓線都隨高度指數(shù)衰減，因此本發(fā)明將氣溶膠垂直廓線分為指數(shù)衰減型、均勻型、近地面高值型和邊界層高值型4種類型，進行分段擬合得到氣溶膠標高；具體過程如下：

①指數(shù)衰減型：氣溶膠隨高度指數(shù)衰減，即σ_a(z,λ)≈σ_a(0,λ)exp(-z/H_a)，其中H_a就是標高。

②均勻型：在高度H₁以下氣溶膠均勻分布，以上隨指數(shù)衰減，即

因此標高H_a＝H'_a+H₁。

③近地面高值型：在高度H₁以上隨高度指數(shù)衰減，以下消光系數(shù)值較大，并不服從指數(shù)衰減的形式，對于該種情況，我們可將氣溶膠消光系數(shù)的變化曲線簡單表示為

④邊界層高值型：在該高度H₁之上H₂-H₁的厚度內(nèi)有氣溶膠層，該厚度的其它區(qū)域近似指數(shù)衰減，我們可將這種情況簡單表示為

(3)大氣氣溶膠光學(xué)厚度的反演：

將步驟(2)擬合得到的氣溶膠標高和步驟(1)反演得到的近地面消光系數(shù)帶入(2)式的氣溶膠光學(xué)厚度的計算公式，計算得到大氣氣溶膠光學(xué)厚度：

τ_a(λ)＝σ_a(0,λ)H_a。

為了驗證本發(fā)明的方法，利用太陽光度計數(shù)據(jù)與激光雷達反演得到的數(shù)據(jù)進行對比驗證。反演結(jié)果如圖2所示，圖2中圓形為氣溶膠光學(xué)厚度的實測數(shù)據(jù)，三角形為利用本發(fā)明方法進行反演給出的結(jié)果。

上述激光雷達的工作波長為532nm，太陽光度計無此波段數(shù)據(jù)，但是可通過下式得到，即

lnτ(λ)＝a₀+a₁lnλ+a₂ln²λ

根據(jù)太陽光度計提供的不同波段的有效AOD值曲線擬合得到a₀，a₁和a₂三個系數(shù)，再將532nm帶入上式得到該波段的光學(xué)厚度。

從對比結(jié)果來看，采用本專利所述的方法能夠得到與太陽光度計數(shù)據(jù)基本一致的結(jié)果。

當理解的是，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。