基于扫描激光雷达的气溶胶消光系数三维空间分布反演方法与流程

本发明属于大气科学和激光雷达领域，具体是一种基于扫描激光雷达的气溶胶消光系数三维空间分布反演方法。

背景技术：

大气气溶胶是指悬浮在大气中的直径在0.001～100μm的液体或固体颗粒物，它是大气污染物的主要成分，是城市光化学烟雾的重要来源，对人体的健康环境和全球气候都有一定的影响。。不断增加的气溶胶含量对天气气候、公众健康和经济发展产生了明显的负效应，引起了大众对环境问题的重视。要科学、有效防治大气污染，精准探测大气污染物的立体时空分布是工作基础。对大气气溶胶准确地定量化探测与研究，可为政府决策提供相应的参考，为污染治理提供必要的数据集和理论依据。

激光雷达作为环境污染物监测的重要工具，能够进行长距离、高频次的探测，探测结果可以有效反映激光传输路径内的气溶胶分布情况，具有抗干扰能力强、空间分辨率高、探测灵敏度高等优势，是当前遥感探测颗粒物污染的有效手段，被广泛应用于大气与环境监测领域。消光系数是表征大气气溶胶光学特性的一个重要物理量，在其反演方法中发展比较成熟的有collis方法、klett方法和fernald方法。collis方法的前提是大气均匀分布，因为大气的垂直分层结构，所以在一般非水平观测场景下，collis消光系数反演方法并不适用，但在水平观测时，并且假设气溶胶在水平上分布均匀，利用collis方法可以得到气溶胶消光系数的严格解。利用水平观测的消光系数作为气溶胶消光系数边界值或称初值，可为数值积分提供初始值的确定。边界值确定后，利用fernald方法进行大气气溶胶消光系数的反演，并且逐级迭代，可以反演出气溶胶的消光系数三维分布。

当前国内外的研究中，大多都是单独进行垂直探测或者水平探测，鲜有结合三维探测的激光雷达数据进行相关研究。

技术实现要素：

本发明针对背景技术中存在的问题，本发明旨在提出一种基于扫描激光雷达的气溶胶消光系数三维空间分布反演方法，即能够同时结合垂直、水平和锥面扫描探测组成的三维体扫数据，基于collis方法和fernald方法进行迭代反演，实现探测方式的优势互补，最终实现对区域颗粒物污染分布进行三维立体监测。

技术方案：

一种基于扫描激光雷达的气溶胶消光系数三维空间分布反演方法，它包括以下步骤：

s1、扫描激光雷达各个模块上电，扫描激光雷达的云台扫描模块以方位角步进m1°，俯仰角θ步进m2°进行锥面扫描，每个角度各积分n个脉冲信号；

s2、获取扫描激光雷达回波信号；

s3、原始数据预处理；

s4、根据俯仰角θ＝0°计算得到水平消光系数值，根据俯仰角0°<θ≤90°计算得到非水平消光系数值；

s5、进行原始球坐标系三维坐标变换为直角坐标系坐标，实现三维空间内气溶胶消光系数值的融合；

s6、输出三维空间气溶胶消光系数。

优选的，s3中，所述原始数据预处理包括背景去噪、系统常数订正、距离平方修正、滑动去噪、几何重叠因子订正处理。

优选的，s4中，俯仰角θ＝0°时，水平扫描回波信号，对整段信号进行分段拟合求解各点的消光系数，综合考虑信噪比阈值以上、相关度最优的消光系数作为初始值。

优选的，大气不均匀时，通过collis方法选取均匀区域计算气溶胶消光系数参考值，以参考点为界分别进行fernald后向/前向积分获取水平消光系数值。

优选的，大气均匀时，采取斜率法反演计算获得水平消光系数值。

优选的，s4中，俯仰角0°<θ≤90°时，非水平扫描回波信号，直接采用fernald后向积分方法进行消光系数反演。

优选的，s4中，将反演得到的起始点消光系数值与水平均匀消光系数进行比较，当两数值相差超过一个阈值时，进行自我反馈调节。

优选的，所述自我反馈调节：将有效探测距离处一段信号进行分段拟合计算得到最优相关度初始消光系数值，并将分段拟合的最优相关度初始消光系数值代入fernald方法计算获得新的起始点消光系数值。

优选的，s5中，原始球坐标系三维坐标变换为直角坐标系坐标通过下式进行：

式中，θ表示俯仰角，表示方位角，r表示距离，x、y、z分别表示直角坐标系坐标。

优选的，水平消光系数值和非水平消光系数值融合：以原点为球心进行不同方位角和仰角的扫描，最后将相同方位角不同仰角的消光系数廓线连续拼接画图，包括水平和非水平消光系数，获得一个半圆形剖面，以此类推将完整的扫描过程拼接完成。

获得三维图后采用现有技术以坐标系三维矩阵画图输出结果。

本发明的有益效果

本发明在基于利用扫描激光雷达进行水平探测、垂直探测、斜程探测三种扫描方式来获取观测数据的基础上，充分获取目标探测距离内大气气溶胶分布特征；考虑了水平探测气溶胶均匀和不均匀的两种情况，当水平大气不均匀时，通过collis提取消光系数边界值，再分别利用fernald前向积分和fernald后向积分反演完整消光系数廓线；考虑了非水平测时，利用fernald后向积分的方法计算消光系数，加以基准点阈值判断，自我反馈调节；最终通过三维坐标转换，得到立体空间气溶胶消光系数分布特征。利用云台转动控制扫描激光雷达能够有效地揭示城市地区较大区域内的颗粒物分布和传输情况，实现以三维数据分析颗粒物的传输、分布和浓度变化情况，具有覆盖范围大、探测效率高的优点。

附图说明

图1为本发明的气溶胶消光系数三维空间分布反演方法流程图

图2为本发明大气颗粒物三维立体监测扫描激光雷达系统系统光路图

图3为激光雷达三维扫描示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

用于快速扫描获取三维立体大气气溶胶信号的扫描激光雷达包括四大模块：激光发射模块、接收光路模块、信号采集模块和云台转动模块。图2为大气颗粒物三维立体监测扫描激光雷达系统系统光路图，其中激光发射部分为一个重复频率为5000hz的激光器，波长为532nm，脉冲能量为500μj，激光器发射脉冲激光信号，依次经过扩束镜12、半波片11、反射镜10实现收发同轴；大气后向散射信号依次经过接收望远镜9、小孔1、准直镜2、窄带滤光片3，通过偏振分束镜4被分成平行、垂直两路偏振光并分别通过会聚镜5进入水平光电探测器8和竖直光电探测器6，光电探测器将光子信号转化为电信号并传输至信号采集模块；信号采集部分由两个光电探测器和采集卡组成，采样频率为50mhz,即最小距离分辨率达到3m，采样点为5000个点，即获取到15km以内的信号。

结合图1，本发明基于扫描激光雷达的气溶胶消光系数三维空间分布反演方法在实际应用中将按照以下6个步骤进行工作：

s1、扫描激光雷达各个模块上电，图3为激光雷达三维扫描示意图，以方位角步进3°和俯仰角步进为3°进行锥面扫描，每个角度积分10000个脉冲信号。

s2、获取扫描激光雷达回波信号。

s3、原始数据预处理。优选的实施例中，所述原始数据预处理包括背景去噪、系统常数订正、距离平方修正、滑动去噪、几何重叠因子订正处理。

s4、根据俯仰角θ＝0°计算得到水平消光系数值，根据俯仰角0°<θ≤90°计算得到非水平消光系数值。其中：

俯仰角θ＝0°时，水平扫描回波信号，对整段信号进行分段拟合求解各点的消光系数，综合考虑信噪比阈值以上、相关度最优的消光系数作为初始值。考虑水平探测气溶胶均匀和不均匀的两种情况，采用不同的计算方法：

大气不均匀时，通过collis方法选取均匀区域计算气溶胶消光系数参考值，以参考点为界分别进行fernald后向/前向积分获取水平消光系数值。

大气均匀时，采取斜率法反演计算获得水平消光系数值。

俯仰角0°<θ≤90°时，非水平扫描回波信号，直接采用fernald后向积分方法进行消光系数反演。

非水平扫描时采用fernald方法反演时，将直接计算得到的消光系数起始点值α1与地面水平均匀消光系数α0进行比较，当|α1-α0|>δ时(δ为误差阈值)，进行自反馈调节，即在最大有效探测距离r处，以r1≤r≤r2为参考区域，其中r1、r2分别与r相差500m，以10个采样点(即30m)为拟合窗口，基于分段拟合取拟合度最优值的方式，进行消光系数初始值的计算，参考高度取最优拟合窗口中点处，结果代入fernald方法计算；如若还超过阈值，则滑动窗口增加5个采样点继续计算，以此类推。

s5、进行原始球坐标系三维坐标变换为直角坐标系坐标，实现三维空间内气溶胶消光系数值的融合；

对单个体扫数据而言，提取出所有数据后会对其进行坐标变化以方便绘图，主要变换为将原始球坐标系三维坐标变换为直角坐标系坐标。激光雷达回波信号每个点需要转化为以激光雷达为原点的三维坐标系，即由仰角θ、方位角距离r可得到：

s6、输出三维空间气溶胶消光系数。

反演方法基于典型的大气激光雷达方程：

其中，p为激光雷达回波信号强度功率；r代表探测距离；e为激光雷达固定参数，包括发射激光功率等，c为矫正常数，包括几何重叠因子等；β为大气总后向散射系数；σ为大气总消光系数。

(1)collis方法

collis方法的建立是考虑在大气均匀的条件下，其主要思想为：令

其中s为距离平方修正信号的对数值，2为高度，将其代入(1)式可变为：

其中，s＝s(r)，s0＝s(r0)，β0＝β(r0)，r0为参考高度，上式的微分形式为：

则可以得到大气均匀条件下消光系数值：

(2)fernald方法

如果事先已知某一距离(高度)rc处(标定高度)大气气溶胶粒子和空气分子消光系数(标定值)，fernald给出了rc处以下的大气气溶胶粒子消光系数(后向积分)为：

αa为气溶胶消光系数，sa气溶胶激光雷达比、sm分别为大气分子激光雷达比，αm为空气分子消光系数，p为距离平方修正信号，r为高度，而rc处以上的大气气溶胶粒子体消光系数(前向积分)为：

αa为气溶胶消光系数，sa气溶胶激光雷达比、sm分别为大气分子激光雷达比，αm为空气分子消光系数，p为距离平方修正信号，其中sa＝αa(r)/βa(r)，βa为气溶胶后向散射系数，对于532nm波长，sa＝50。空气分子的消光后向散射比sm＝αm(r)/βm(r)＝8π/3，βm为空气分子后向散射系数。空气分子的消光系数αm(r)可以通过使用温压湿标准大气模式，获得空气分子的密度，再由分子瑞利散射理论计算得到。标定高度rc是通过选取近乎不含大气气溶胶粒子的清洁大气层所在的高度来确定。这个高度上p(r)r²/βm的值最小，532nm波长的大气气溶胶消光系数边界值αa(rc)由大气气溶胶散射比1+βa(rc)/βm(rc)＝1.01，为气溶胶后向散射系数来确定。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。