本申请涉及雷达领域，特别是涉及消光系数的测量方法、雷达及存储装置。
背景技术：
大气气溶胶是大气的重要组成部分，是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，粒子的空气动力学直径多在0.001～100μm之间。作为大气物理化学过程中的一个重要因素，大气科学的很多领域都与气溶胶浓度有关。
大气消光系数是大气光学性质的重要参量，它与气溶胶的物理特性有着密切关系，消光系数的空间分布在一定程度上能够反映大气运动和状态的变化。目前，通常采用非相干雷达对大气消光系数进行测量，然而上述测量方法容易受环境影响且测量灵敏度低。
技术实现要素：
本申请主要解决的技术问题是提供一种消光系数的测量方法、雷达及存储装置，能够提高消光系数的测量灵敏度且降低环境对测量的影响。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种消光系数的测量方法，该方法包括：相干多普勒激光雷达发射激光信号；在设定距离门内接收由于激光信号产生的回波信号，并获取回波信号的功率谱密度；利用功率谱密度得到设定距离门的消光系数。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种相干多普勒激光雷达，该相干多普勒激光雷达包括处理器和与该处理器连接的存储器，存储器用于存储计算机程序，处理器用于调用计算机程序以执行上述方法。
为解决上述技术问题，本申请采用的又一个技术方案是：提供一种存储装置，该存储装置存储有计算机程序，该计算机程序能够被执行以实现上述方法。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请采用相干多普勒激光雷达发射激光信号；在设定距离门内接收由于激光信号产生的回波信号，并获取回波信号的功率谱密度；利用功率谱密度得到设定距离门的消光系数。故相比于非相干激光雷达，提高了消光系数的测量灵敏度且降低环境对测量的影响。
附图说明
图1是本申请第一实施例消光系数的测量方法的流程示意图；
图2是本申请第二实施例消光系数的测量方法的流程示意图；
图3是本申请第三实施例消光系数的测量方法的流程示意图；
图4是本申请第四实施例消光系数的测量方法的流程示意图；
图5是本申请第五实施例消光系数的测量方法的流程示意图；
图6是本申请实施例相干多普勒激光雷达的硬件结构示意图；
图7是本申请实施例存储装置的示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。在本申请中，相同的表达式代表的意义相同。
以下除非特别说明，下述雷达均代表相干多普勒激光雷达。
请参阅图1，图1是本申请第一实施例消光系数的测量方法的流程示意图。
步骤s11：相干多普勒激光雷达发射激光信号。
雷达可以向预设方位角和仰角发射激光信号，方位角可以为东、南、西、北或者相邻方位的结合。仰角的范围可以为0°～90°，更为具体地，仰角的范围也可以为30°～60°，通过将仰角的范围设置为30°～60°之间，可以使相干多普勒激光雷达所获得的风速和/或消光系数更加准确。
雷达还可以同时或者不同时向至少两个预设方位角和仰角发射激光信号。例如，雷达可以同时向东南西北四个方位且仰角为30°、45°和60°的方向上同时发射激光。再例如，雷达也可以在第一周期内向第一方位和第一仰角发射激光，在第二周期内向第二方位角第一仰角发射激光，第三周期内向第三方位角第三仰角发射激光，第一周期、第二周期以及第三周期可以相同，也可以不同；第一方位、第二方位以及第三方位可以相同，也可以不同；第一仰角、第二仰角以及第三仰角可以相同，也可以不同。可选地，雷达中用于发射激光信号的发射器可以转动，以在不同时段内向不同方位角和不同仰角发射激光信号。
激光信号可以为脉冲信号，在其它实施例中，激光信号可以为非脉冲信号，例如，pwm信号。
步骤s12：在设定距离门内接收由于激光信号产生的回波信号，并获取回波信号的功率谱密度。
设定距离门的具体的数值可以根据用户实际需要获取的距离的消光系数确定。设定距离门的取值范围可以为100m～10km。例如，设定距离门的取值可以为100m、3km或者5km。设定距离门在一个周期内可以是不变的，也可以是变化的。通过一个周期内变化的设定距离门，可以在一个周期内得到不同设定距离门的消光系数。应注意，虽然上述设定距离门是一个确定的数值，这个确定的数值是用户想要得到的一个确切的距离，但是在实际中，激光在空中的传输的距离并不一定等于该设定距离门，这个距离可以大于该有设定距离门，也可以小于该设定距离门。
设定距离门表示接收回波信号的时间范围，反过来，设定距离门也可以是通过接收回波信号的时间范围所确定。应注意，该时间范围可以为一个很小的时间段，该时间段即可以表征设定距离门的距离，例如，时间范围可以用[t，t+ε]表示，其中t可以通过设定距离门获取，具体地，t可以等于设定距离门×2÷光速。
在一种实施方式中，雷达可以只接收一个预设方位角和仰角的回波信号，并获取一个回波信号的功率谱密度。
在另一种实施例中，雷达可以接收至少两个预设方位角和仰角的回波信号，并获取该至少两个回波信号的功率谱密度。
本申请雷达还可以用于测风，由于风速矢量是一个三维矢量，因此风场反演至少需要三个不同预设方位角和仰角上的径向风速，也就是说雷达在用于测风时，一个周期内至少包括三个接收时刻。由于窗口异物遮挡、云雾遮挡、低信噪比等因素可能造成数据无效，为了提高测量的准确性，一个周期内接收的预设方位角和仰角的回波信号的数量可以大于三。更为具体的，一个周期内接收的预设方位角和仰角的回波信号的数量可以为4～16个，例如，一个周期内接收的预设方位角和仰角的回波信号的数量可以为4个、8个或者16个。
由于大气中的气溶胶分子分布不均，因此，雷达接收到的不同方位角和/或不同仰角的回波信号也不同。
激光雷达接收的设定距离门r处的后向散射信号能量n(r)满足公式(1)。
其中，p0为发射功率；c为光速；τ为脉冲宽度；ar为有效接收面积；y(r)为雷达的几何重叠因子，y(r)的值与雷达的结构和设定距离门有关，其值不会因为方位角和仰角的变化而变化；β(r)为距离r处的后向散射系数，ta表示大气透过率，其中，
步骤s13：利用功率谱密度得到设定距离门的消光系数。
不同的设定距离门有不同的消光系数，设定距离门越大，消光系数越小。如何利用功率谱密度得到设定距离门的消光系数，请参阅步骤s231～s242。
请参阅图2，图2是本申请第二实施例消光系数的测量方法中步骤s13包含的流程示意图。本实施例中，上述步骤s13包括以下子步骤：
子步骤s231：对功率谱密度进行恒虚警检测，判断该功率谱密度是否能够通过恒虚警检测。若该功率谱密度不能通过恒虚警检测，则转至步骤s232。若该功率谱密度能够通过恒虚警检测，则转至步骤s233。
恒虚警处理技术是在雷达自动检测系统中给检测策略提供检测阈值并且使杂波和干扰对系统的虚警概率影响最小化的信号处理算法。雷达信号恒虚警检测的目的就是杂波背景中区分出有用的目标回波。
恒虚警检测可以为时域恒虚警检测或者频域恒虚警检测。由于杂波分布模型分为瑞利分布(rayleighdistribution)、韦布尔分布(weibulldistribution)或者对数正态分布(logarithmicnormaldistribution)等，因此，可以利用瑞利分布杂波模型的单元平均类恒虚警算法(ca-cfar)、利用对数正态分布杂波模型的对数恒虚警算法(log-t-cfar)或者利用韦布尔分布杂波模型的有序统计量类恒虚警算法(os-cfar)等方法对功率谱密度进行时域恒虚警检测。另外，还可以通过频域单元平均恒虚警算法或者频域多门限恒虚警算法对功率谱密度进行频域恒虚警检测。
在雷达仅接收到一个预设方位角和仰角的设定距离门的回波信号时，仅会得到一个功率谱密度；在雷达接收到至少两个预设方位角和仰角设定距离门的回波信号时，会得到至少两个功率谱密度。应注意，在得到的功率谱密度的数量为至少两个时，应对每一个功率谱密度进行恒虚警检测。
子步骤s232：该功率谱密度无效。
该功率谱密度无效的意思是该处采集到的功率谱密度不符合要求，应予以剔除，可以将该功率谱密度的数值置零，防止该功率谱密度对设定距离门的消光系数的计算产生影响，对置零后的功率谱密度不再进行下述计算，即对无效的功率谱密度予以剔除。
子步骤s233：对得到的功率谱密度取最大功率谱密度。
当雷达接收到一个预设方位角和仰角的回波信号时，可以对接收到的设定距离门的功率谱密度取最大功率谱密度，当雷达接收到至少两个预设方位角和仰角的回波信号时，可以对接收在设定距离门下的至少两个功率谱密度的每一功率谱密度取最大值。
设定距离门表示接收回波信号的时间范围，因此一个回波信号的功率谱密度包括在多个时间点上的回波信号的多个功率谱密度，最大功率谱密度为该多个功率谱密度中的最大功率谱密度。
在得到最大功率谱密度后，跳转至步骤s234。
在其它实施例中，步骤s231～s233的顺序可以改为s233、s231、s232，即可以先根据检测到的功率谱密度得到最大功率谱密度，再判断最大功率谱密度是否能够通过恒虚警检测，在能够通过恒虚警检测的情况下，跳转至步骤s234。
子步骤s234：利用在回波信号有效带宽内的最大功率谱密度，得到回波信号在有效带宽上的功率信号。
具体可以通过公式(2)得到功率信号。
其中，p(r)为功率信号，f0为接收到回波信号的频率。b为接收到的回波信号的带宽，x(f)为最大功率谱密度。可选地，p(r)可以与上述或下述的n(r)的数值相同，也可以不同。
通过对最大功率谱密度进行积分，能够得到有效带宽的最大功率，不仅可以方便下面的计算，也可以使得到的设定距离门的消光系数更准确。
子步骤s235：利用设定距离门对功率信号进行距离校准，得到距离修正信号。
具体可以利用公式(3)得到距离修正信号。
s(z)＝ln[r2p(r)](3)
其中，r为设定距离门，p(r)为通过步骤s234得到的功率信号。
通过得到距离修正信号，不仅可以扣除雷达接收到的背景噪声，还可以使得到设定距离门的消光系数的运算简化。
在得到距离修正信号后，跳转至步骤s236。
子步骤s236：利用距离修正信号，通过collis斜率法、klett反演方法或者fernald反演方法，得到设定距离门的消光系数。
collis斜率法的具体方法可以为，先对公式(3)并结合公式(1)进行微分得到公式(4)。
其中，β为大气后向散射系数。
由于collis斜率法是以大气水平均匀分布为前提，因此σ和β均为常数，即
klett反演方法具体为，设定大气中的大气后向散射系数β和消光系数之间存在如公式(6)的关系。
β＝c·σk(6)
其中，c为常数，取值范围为40～60，k为消光后向散射比，取值范围为0367～1.0。
通过公式(1)、(5)以及(6)得到消光系数的表达式(7)。
其中，rm为雷达能够探测到的最大距离或者参考距离，sm＝s(rm)，σm＝σ(rm)。
fernald算法考虑了分子的散射作用，将回波信号表示为气溶胶粒子和大气分子共同作用的结果，回波就不仅是公式(1)中的p(r)仅与气溶胶粒子的参数有关，而还与大气分子有关，具体的设定距离门r处的回波信号能量的表达式为公式(8)。
其中，βa为气溶胶粒子后向散射系数，βm为大气分子后向散射系数，σa(r)为气溶胶粒子的消光系数，σm(r)为大气分子的消光系数。
类似地，根据公式(8)、(5)以及(6)得到消光系数的表达式(9)。
其中，x(r)＝p(r)r2；sa＝σa/βa。
应注意，在雷达发射的激光信号为一个时，即雷达的发射参数为一个时，通过上述步骤可以得到一个设定距离门的消光系数。在雷达发射的激光信号为至少两个预设方位角和仰角，也即雷达接收至少两个预设方位角和仰角回波信号，且该回波信号对应的功率谱密度通过恒虚警检测时，通过上述步骤可以得到两个设定距离门的消光系数。
在得到消光系数后，跳转至步骤s237。
子步骤s237：判断得到的消光系数是否为一个。
若是，跳转至步骤s238。
若否，则代表得到的该设定距离门的消光系数为至少两个，则跳转至步骤s239。其中，该消光系数为至少两个的情况可以为：在上述步骤s13中，相干多普勒激光雷达发射的激光信号为至少两个，每个激光信号经过上述步骤的处理得到一个消光系数；其中，所述每个激光信号的发射参数不同，该发射参数具体可以为上述方位角和仰角中的至少一个。
子步骤s238：将该消光系数作为设定距离门的消光系数。
子步骤s239：对得到的设定距离门的至少两个消光系数进行统计融合方式处理。
具体而言，统计融合方式可以是计算平均值、中位数、众数、标准差以及方差等的至少一个。
子步骤s240：判断经统计融合方式处理后的值是否在第一预设数值范围内。
若否，则跳转至子步骤s241；若是，则跳转至子步骤s242。
第一预设数值范围可以是用户设定的数值范围，例如，用户设定数值范围为(δm，δn)，若经统计融合处理后的值在(δm，δn)的范围内，则跳转至步骤s242，若不在(δm，δn)的范围内则跳转至子步骤s241。例如，当统计融合方式为计算平均值时，第一预设数值范围可以为第一预设平均值范围；当统计融合方式为计算平均值和方差时，第一预设数值范围可以包括第一预设平均值范围和第一预设方差范围，并对得到的平均值和方差分别判断其是否在第一预设平均值范围和第一预设方差范围内。在其它实施例中，第一预设数值范围可以根据雷达以前获取到的设定距离门的消光系数确定。例如，雷达可以识别被测场景，并获取该被测场景下雷达以前得到设定距离门的消光系数，并根据以前得到的消光系数得到第一预设数值范围，例如，在以前的消光系数为δp时，第一预设范围可以为(δp×0.8，δp×1.2)。在另一实施例中，雷达可以通过云端获取以前得到的设定距离门的消光系数。
子步骤s241：经统计融合方式处理后的值无效。
对无效的值予以剔除。
子步骤242：经统计融合方式处理后的值为设定距离门最终的消光系数。
在本实施例中，通过先对得到的设定距离门的至少两个消光系数进行统计融合方式处理，再判断经统计融合处理后的值是否在第一预设数值范围内，若不在，经统计融合处理后的值无效，若在，则经统计融合处理后的值作为设定距离门最终的消光系数。因此，在得到的经统计融合处理后的值无效时，则代表本次测量结果无效，需要雷达重新测量，因此能够使提高探测精度。
请参阅图3，图3是本申请第三实施例消光系数的测量方法的流程示意图。
本实施例和第二实施例的区别之处在于：第二实施例中的子步骤s239～s242可以替换为子步骤s339～s340。即可以先判断至少两个消光系数中每一消光系数是否在第二预设数值范围内，并对在第二预设数值范围内的消光系数进行统计融合方式处理，得到设定距离门最终的消光系数。具体请参阅子步骤s339～s340。
子步骤s339：从设定距离门的至少两个消光系数中，获取处于第二预设数值范围内的消光系数。
关于第二预设数值范围的取值，可以与第一预设范围的类似，此处不再赘述。该第二预设数值范围可以与第一预设数值范围相同，也可以不同，例如，第二预设数值范围可以大于第一预设数值范围或者小于第一预设数值范围。
子步骤s340：对处于第二预设数值范围内的消光系数进行统计融合方式处理，并将经统计融合方式处理后值作为设定距离门最终的消光系数。
其中，对于不在第二预设数值范围内的消光系数，则认为其无效。该消光系数无效的意思是，在该发射参数上和设定距离门通过接收到的回波信号计算到的消光系数是不符合要求，可以将该消光系数剔除，对剔除后的消光系数不进行统计融合方式处理。
在本实施例中，先对得到的设定距离门的至少两个消光系数进行判断，并对处于第二预设数值范围内的消光系数进行统计融合方式处理，对不在第二预设数值范围内的消光系数进行剔除。由于剔除了不符合第二预设数值范围内的消光系数，保留了处于第二预设数值范围内的值，因此，能够避免不符合第二预设数值范围内的消光系数对得到设定距离门最终的消光系数产生影响，使测量结果更加准确。
请参阅图4，图4是本申请第四实施例消光系数的测量方法的流程示意图。
本实施例和第三实施例的区别之处在于：第三实施例中的子步骤s341可以替换为子步骤s441～s443。由于大气分布不均，因此，一般情况下，不同的仰角所得到的消光系数不同。本实施例可以获得不同仰角的消光参数。
子步骤s441：判断在第二预设数值范围内的消光系数所对应的仰角中，是否有相同的仰角。
若是，跳转s442。若否，跳转至s443。
子步骤s442：将相同的仰角所对应的消光系数进行统计融合方式处理。并将统计融合方式处理后的消光系数作为该仰角和该设定距离门的消光系数。
统计融合方式的限定可以参阅上文描述。
子步骤s443：将不同仰角所对应的消光系数作为该不同仰角和该设定距离门的消光系数。
举例说明，若在第二预设范围内的消光系数有五个，σ1、σ2、σ3、σ4以及σ5，其中σ1、σ2、σ3对应的仰角为α1，σ4对应的仰角为α2，σ5对应的仰角为α3。则在设定距离门且仰角为α1时所对应的消光系数可以为(σ1+σ2+σ3)/3，在设定距离门且仰角为α2时所对应的消光系数可以为σ4，以及在设定距离门且仰角为α3时所对应的消光系数可以为σ5。
请参阅图5，图5是本申请第五实施例消光系数的测量方法的流程示意图。
本实施例和第三实施例的区别之处在于：第三实施例中的子步骤s341可以替换为子步骤s541～s543。由于大气分布不均，因此，一般情况下，不同的方位角所得到的消光系数不同。本实施例可以获得不同方位角的消光参数。
子步骤s541：判断在第二预设数值范围内的消光系数所对应的方位角中，是否有相同的方位角。
若是，跳转步骤s542。若否，跳转至步骤s543。
子步骤s542：将相同的方位角所对应的消光系数进行统计融合方式处理。并将统计融合方式处理后的消光系数作为该仰角和该设定距离门的消光系数。
子步骤s543：将不同方位角所对应的消光系数作为该不同方位角和该设定距离门的消光系数。
举例说明，若在第二预设范围内的消光系数有五个，σ1、σ2、σ3、σ4以及σ5，其中σ1、σ2、σ3对应的方位角为γ1，σ4对应的方位角为γ2，σ5对应的方位角为γ3。则在设定距离门且方位角为γ1时所对应的消光系数可以为(σ1+σ2+σ3)/3，在设定距离门且仰角为γ2时所对应的消光系数可以为σ4，以及在设定距离门且仰角为γ3时所对应的消光系数可以为σ5。
另外，本申请的第四实施例或第五实施例不仅可以在第三实施例的基础上进行，还可以在第二实施例的基础上进行，即可以先得到不同仰角和设定距离门的消光系数和/或不同的方位角和设定距离门的消光系数，再判断得到的消光系数是否有效。
请参阅图6，图6是本申请实施例相干多普勒激光雷达的硬件结构示意图。
相干多普勒激光雷达60包括处理模块61、种子激光器62、发射器63、接收器64以及存储器65。种子激光器62用于产生的线偏振连续激光，发射器63用于发射激光，接收器64用于接收回波信号。处理模块61用于对接收到的回波信号进行处理；存储器65用于存储计算机程序。
在本实施例中，处理模块61又可以包括：处理器611、耦合器612、平衡探测器613以及数字采集卡614。耦合器612用于对接收到的回波信号进行分配；平衡探测器613用于对共模信号起到了抑制作用，抑制了本振光的噪声，且提高有用信号的功率；数据采集卡614用于实现数据采集(daq)功能的计算机扩展卡；处理器611用于调用计算机程序以执行上述任意一实施例的测量方法。种子激光器62、发射器63、接收器64以及存储器65均与处理模块61连接，具体为与处理模块61中的处理器611连接。另外，耦合器612，平衡探测器613以及数字采集卡614也均与处理器611连接。
在本实施例中，发射器63和接收器64同轴设置，在其它实施例中，发射器63和接收器64可以不同轴设置。
请参阅图7，图7是本申请实施例存储装置的示意图。
存储装置70存储有计算机程序，该计算机程序能够被执行以实现上述任意一实施例的消光系数的测量方法。
可选地，存储装置70可以为u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟、光盘或者服务器等各种可以存储程序代码的介质。
可选地，该存储装置70还可以为上述实施例中的存储器65。
区别于现有技术的情况，本申请采用相干多普勒激光雷达发射激光信号；在设定距离门内接收由于激光信号产生的回波信号，并获取回波信号的功率谱密度；利用功率谱密度得到设定距离门的消光系数。故相比于非相干激光雷达，提高了消光系数的测量灵敏度且降低环境对测量的影响。
进一步地，对于用于测风的相干多普勒激光雷达不仅能够通过接收到的回波信号得到大气中的风速信息，还能够得到设定距离门的消光系数，扩大了相干多普勒激光雷达的应用范围，使用户在不增加其它测量消光系数的设备的情况下，仅通过使用相干多普勒激光雷达就可以得到设定距离门的消光系数。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。