一种大气颗粒物监测激光雷达数据处理方法与流程

本发明涉及环境科学、激光雷达领域，具体为一种大气颗粒物米散射激光雷达数据拼接方法。

背景技术：

激光雷达是探测大气时空分布研究领域的重要技术手段，激光雷达具有高空间和时间分辨率，允许各种条件下进行大气观测，探测范围可覆盖近地面到100km高空，激光辐射与大气成分存在各种各样的相互作用，除了探测痕量气体、气溶胶、云，还可以探测大气基本参量如温度、压力、湿度、风，激光雷达可以监测数立方米、数秒乃至全球、数年的大气变化过程，激光雷达已经被应用于湍流过程、边界层的昼夜变化、水汽与臭氧通量探测，激光雷达可以监测排放速率与痕量气体的浓度水平，平流层臭氧消耗为全球的激光雷达所探测，激光雷达可以用来区分云中的水滴和冰晶，激光雷达有助于人们理解气溶胶的气候效应，激光雷达监测到了因大规模火山爆发导致的平流层扰动、空气污染洲际间的传输、沙尘、森林火灾烟尘，在中间层，激光雷达证明了金属原子、离子层、重力波的存在。

其中，在目前的颗粒物监测中，最成熟也是应用最广泛的是米散射激光雷达，相对于其他相互作用的后向散射截面，米散射的后向散射截面最高，回波信号相对较强，利用美国标准大气对激光雷达米散射回波信号进行模拟，可知米散射回波信号动态范围非常大高达8个数量级，这给激光雷达回波信号采集系统的设计带来了极大困难，因此在使用模拟采集时很容易造成近场饱和与远场信噪比不够的情况，前放电路对于光电探测器的输出信号进行一定倍数放大，很容易造成近场信号饱和及远场信号信噪比不足。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种大气颗粒物米散射激光雷达数据拼接方法，以解决米散射激光雷达在模拟采集下近场饱和和远场信噪比不够的问题，扩大激光雷达动态探测范围，为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

该方法通过计算大信号和小信号的信噪比，在大信号和小信号信噪比均较高的区域进行线性拟合，进而得到近场不饱和及远场信噪比较高的拼接信号,该激光雷达数据拼接方法扩大了激光雷达模拟采集下的动态探测范围，可广泛应用于米散射激光雷达对于大气污染物的探测,主要步骤如下：

(1)米散射激光雷达后向散射回波信号对应的激光雷达方程为：

其中：P(R)为激光雷达接收到距离R处的后向散射回波信号(W)；

C为激光雷达系统常数(W·km³·sr)，

β(R)为距离R处的总后向散射系数(km^-1·sr^-1)，

其中，和β_m(R)分别是距离R处气溶胶和大气分子的后向散射系数，

α(R)是距离R处总的消光系数(km^-1)，和α_m(R)分别是距离R处气溶胶和大气分子的消光系数；

(2)获取大信号和小信号，其方法为：分别选取激光雷达信号远端的背景基线信号，扣除平均直流背景，分别得到有效大信号P_Big(R)和有效小信号P_small(R)，同时根据前放电路特性，寻找有效大信号P_Big(R)最大值0.6倍的距离R_i；

(3)根据激光雷达信噪比计算公式，得到大信号信噪比SNR_Big和小信号信噪比SNR_small，

其中，N_s为激光雷达米散射回波信号的光子计数，N_b为对应的光背景噪声，N_d为暗计数，n为测量次数；

(4)根据大信号信噪比SNR_Big确定Fernald反演算法要求的最小信噪比距离R_Big，i；根据小信号信噪比SNR_small确定Fernald反演算法要求的最小信噪比距离R_small，i；

(5)在第(2)中得到的R_i和第(4)中得到的R_Big，i和R_small，i确定线性拟合范围R_min和R_max；

(6)采用滑动窗口的方法，对大信号和小信号分别取一定窗口宽度L，窗口宽度小于等于50个数据点，由于前放电路对于大信号有一定的延迟，大信号窗口数值往后移动4个数据点；

(7)利用最小二乘法将有效小信号P_small(R)线性拟合到有效大信号P_Big(R)，计算二者 的相关系数δ_i和线性系数α_i和b_i，其中，P_Big(R)＝α_i*P_small(R)+b_i；

(8)如果第(6)中得到的δ_i大于设定的阈值δ_th，那么将上述窗口宽度之前的小信号P_small(R)采用线性系数α_i和b_i拟合赋值给拼接信号P_Matched，窗口宽度之后将P_Big(R)赋值给拼接信号P_Matched；

(9)如果第(6)中得到δ_i不满足设定的阈值δ_th，将窗口宽度L减小一个，重复第(6)、(7)、(8)直至满足要求，窗口宽度不低于10，如果窗口宽度达到10且仍然没有找到一个好的拼接区域，那么直接采用小信号；

(10)对拼接信号P_Matched进行距离校正，有S(R)＝P_Matched·R²；

(11)将S(R)代入Fernald后向积分方程，即可得到信噪比提升的消光系数。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明对光电探测器的输出信号采取分别放大，然后动态拼接的方法(称放大倍数较大的信号为大信号，放大倍数较小的为小信号)，该方法通过计算大信号和小信号的信噪比，在大信号和小信号信噪比均较高的区域进行线性拟合，进而得到近场不饱和及远场信噪比较高的拼接信号，能够补偿一定硬件条件下，小信号远端信噪比不够及大信号近端饱和的缺点,该激光雷达数据拼接方法扩大了激光雷达模拟采集下的动态探测范围，本发明可以适用于大气遥感双视场激光雷达信号的拼接；本发明除了可以对高空的激光雷达模拟采集信号进行处理分析，还可用于大气颗粒物回波信号的水平测量；本发明的计算流程能够无人值守，可以自动反演测量。

附图说明

图1为系统示意图；

图2为本发明方法实现的流程图；

图3描述了小信号、大信号及拼接信号；

图4显示为小信号、大信号及拼接信号的近场情况；

图5描述了小信号、大信号及拼接信号的远场情况的数据示意图

图6为小信号及拼接信号信噪比的示意图；

图7为将拼接信号代入Fernald方法求解得到的消光系数；

图中，Num的单位为Km。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合一次具体的数据做进一 步的详细说明。在此，本发明的示意性事例用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

采用米散射激光雷达进行颗粒物检测，其硬件上主要包括：激光发射系统、接收系统和控制系统，由图1所示可知，激光器扩束镜等其他光学单元构成了激光发射系统；

望远镜、反射镜、光电探测器PMT以及信号采集几个模块构成了接收系统；

利用计算机、逻辑电路及运行控制软件作为控制系统控制接收系统和激光发射系统的工作，保证了激光发射、回波信号接收、放大和数据采集的有序进行并对数据进行实时处理与显示。

采用图1所示的硬件进行颗粒物数据采集，利用控制系统进行米散射激光雷达数据处理，数据处理的主要步骤如由图2所示，

(1)已知，米散射激光雷达后向散射回波信号对应的激光雷达方程为：

其中：P(R)为激光雷达接收到距离R处的后向散射回波信号(W)；

C为激光雷达系统常数(W·km³·sr)，

β(R)为距离R处的总后向散射系数(km^-1·sr^-1)，

其中，和β_m(R)分别是距离R处气溶胶和大气分子的后向散射系数，

α(R)是距离R处总的消光系数(km^-1)，和α_m(R)分别是距离R处气溶胶和大气分子的消光系数；

(2)获取大信号和小信号，其方法为：分别选取激光雷达信号远端的背景基线信号，扣除平均直流背景，分别得到如图3所示的有效大信号P_Big(R)和有效小信号P_small(R)，同时根据前放电路特性，寻找有效大信号P_Big(R)最大值0.6倍的距离R_i，其中，称放大倍数较大的信号为大信号，放大倍数较小的为小信号；

(3)根据激光雷达信噪比计算公式，得到大信号信噪比SNR_Big和小信号信噪比SNR_small，信号信噪比SNR_Big和小信号信噪比SNR_small的数据如图4所示，

其中，N_s为激光雷达米散射回波信号的光子计数，N_b为对应的光背景噪声，N_d为暗计数， n为测量次数；

(4)根据大信号信噪比SNR_Big确定Fernald反演算法要求的最小信噪比距离R_Big，i；根据小信号信噪比SNR_small确定Fernald反演算法要求的最小信噪比距离R_small，i；

(5)采用最小二乘法，将第(2)中得到的R_i和第(4)中得到的R_Big，i和R_small，i确定线性拟合范围R_min和R_max；

(6)采用滑动窗口的方法，对大信号和小信号分别取一定窗口宽度L，窗口宽度小于等于50个数据点，由于前放电路对于大信号有一定的延迟，大信号窗口数值往后移动4个数据点；

(7)利用最小二乘法将有效小信号P_small(R)线性拟合到有效大信号P_Big(R)，计算二者的相关系数δ_i和线性系数αi和bi，其中，P_Big(R)＝α_i*P_small(R)+b_i；

(8)如果第(6)中得到的δ_i大于设定的阈值δ_th，那么将上述窗口宽度之前的小信号P_small(R)采用线性系数αi和b_i拟合赋值给拼接信号P_Matched，窗口宽度之后将P_Big(R)赋值给拼接信号P_Matched；

(9)如果第(6)中得到δ_i不满足设定的阈值δ_th，将窗口宽度L减小一个，重复第(6)、(7)、(8)直至满足要求，窗口宽度不低于10，如果窗口宽度达到10且仍然没有找到一个好的拼接区域，那么直接采用小信号；

(10)对拼接信号P_Matched进行距离校正，有S(R)＝P_Matched·R²；

(11)将S(R)代入Fernald后向积分方程，即可得到信噪比提升的如图7所的示消光系数。