一种雾区能见度反演方法及系统与流程

本公开涉及大气探测和大气遥感领域，具体涉及一种雾区能见度反演方法及系统。

背景技术

雾发生时往往使地面水平能见度下降，对人类的生产和生活造成一定的影响。传统上对雾的监测主要是利用前向散射能见度仪进行单点观测，但对于机场和港口等对能见度观测要求较高的行业，单纯依靠前向散射能见度仪进行的单点观测，观测数据代表性较低，不能满足生产服务的应用需求，故实现雾区能见度的远距离遥感观测具有重要的实用价值。

目前，对于雾区能见度的遥感观测主要有两种方式，一种方式是使用毫米波雷达进行雾区能见度反演，毫米波雷达可以根据雾滴谱对电磁波的散射作用，获取扫描区域内气象目标的相关信息，识别雾的垂直边界及水平分布，分析和反演雾的强度信息和水平、垂直气流分布情况，监视雾的生消演变过程。但是基于毫米波雷达定量反演雾区能见度时，一般是通过建立雾天气下雷达所在区域的反射率因子与能见度之间的经验公式进行反演，而依靠经验公式的反演结果易受雾的成因、类型及雾滴谱分布等多重因素影响，反演结果误差较大。另一种方式是使用激光雷达反演大气能见度，激光雷达对于雾滴谱更加敏感，能够获得扫描区域大气气溶胶消光系数，而气溶胶消光系数与能见度之间关系相对明确，能够较为准确地反演能见度信息，但是激光雷达波长较短，在低能见度天气时衰减严重，不能获得足够大空间范围的气象信息。因此，如何实现雾区能见度的远距离大面积精确反演具有重要研究意义。

技术实现要素：

本公开实施例提供一种雾区能见度反演方法及系统。

第一方面，本公开实施例中提供了一种雾区能见度反演方法，包括：

控制激光雷达和毫米波雷达时空同步扫描，获取扫描区域的激光回波信号和毫米波回波信号；

针对每个扫描方向，根据所述激光回波信号，获取激光雷达消光系数廓线，所述激光雷达消光系数廓线为表示各扫描位置到扫描中心点的距离与各扫描位置的激光雷达消光系数之间对应关系的曲线；

根据所述激光雷达消光系数廓线，确定激光雷达有效探测区域；

对所述毫米波回波信号进行处理，获取毫米波雷达基数据，所述毫米波雷达基数据包括毫米波雷达反射率因子；

根据所述毫米波雷达反射率因子，识别所述扫描区域中的雾区；

将重叠区域内的激光雷达消光系数与所述毫米波雷达反射率因子进行数据融合，获取毫米波雷达等效消光系数，所述重叠区域为所述激光雷达有效探测区域和所述毫米波雷达识别出的雾区之间的重叠区域；

根据所述毫米波雷达等效消光系数，确定所述毫米波雷达识别出的雾区的能见度。

进一步地，所述根据所述激光雷达消光系数廓线，确定激光雷达有效探测区域，包括：

对所述激光雷达消光系数廓线σ进行5级sym8小波变换，得到变换后激光雷达消光系数廓线；

将所述变换后激光雷达消光系数廓线的均值确定为信噪比阈值σavg，将变换后激光雷达消光系数廓线中消光系数的最大值作为消光系数最大值σmax；

将所述消光系数最大值σmax后第一个消光系数处于下降过程的过零点对应的位置作为有效探测区域的边界位置，所述过零点为所述信噪比阈值σavg与所述变换后激光雷达消光系数廓线的交点；

根据各扫描方向上的边界位置确定所述激光雷达有效探测区域。

进一步地，所述毫米波回波信号包括：所述毫米波雷达在距离高度显示RHI扫描模式下在目标方位扫描得到的第一毫米波回波信号；以及所述毫米波雷达在平面位置显示PPI扫描模式下扫描得到的第二毫米波回波信号。

进一步地，所述对所述毫米波回波信号进行处理，获取所述扫描区域内的毫米波雷达基数据，包括：

分别对所述第一毫米波回波信号和所述第二毫米波回波信号进行预设处理，得到RHI扫描模式下目标方位垂直面上的第一毫米波雷达反射率因子ZRHI和PPI扫描模式下平面上的第二毫米波雷达反射率因子ZPPI，所述预设处理包括相干积累、快速傅立叶变换和谱平均处理。

进一步地，所述预设处理还包括中值滤波和腐蚀膨胀处理。

进一步地，所述根据所述毫米波雷达基数据，识别所述扫描区域中的雾区，包括：

根据所述第一毫米波雷达反射率因子ZRHI及所述第一毫米波回波信号的回波底高Hb、回波顶高Ht，对所述目标方位上的扫描区域进行垂直方向上雾区识别，识别公式为：

Fog_area_V＝ZRHIHbHt|ZRHI≤Z0，Hb≤HB，Ht≤HT；

其中，所述Fog_area_V表示所述目标方位上的垂直雾区范围，所述Z0、HB、HT为预设的初始阈值；

根据所述目标方位上的垂直雾区范围在PPI扫描模式上的投影，得到所述垂直雾区范围在所述PPI扫描模式上的最近端的边界位置a和最远端的边界位置b；

根据所述第二毫米波雷达反射率因子ZPPI及所述a和b，对所述扫描区域进行水平方向上雾区识别，识别公式为：

其中，所述Fog_area_H表示为PPI扫描模式下平面上的第二毫米波雷达反射率因子Zi小于等于Z0且与位置a至位置b区间相连通的连通域，所述连通域即为水平方向上的雾区。

进一步地，所述目标方位包括至少一个方位，相应的，针对每一个方位，识别出一个水平方向上雾区，对所述至少一个方位对应的至少一个水平方向上雾区进行合并得到所述扫描区域中的雾区。

进一步地，所述将重叠区域内的激光雷达消光系数与所述毫米波雷达反射率因子进行数据融合，获取毫米波雷达等效消光系数，包括：

按照以下公式计算得到融合因子μ：

μ＝γavg/Zavg；

其中，γavg为所述重叠区域内激光雷达消光系数的均值，所述Zavg为所述重叠区域内第二毫米波雷达反射率因子的均值；

所述根据所述融合因子，按照以下公式计算毫米波雷达等效消光系数γm-ladr：

γm-ladr＝μ×Zm；

其中，所述Zm为在PPI扫描模式下毫米波雷达识别的雾区内第m个距离库上的毫米波雷达反射率因子。

进一步地，所述根据所述毫米波雷达等效消光系数，确定雾区能见度，包括：

按照以下公式计算雾区能见度VISm-ladr：

VISm-ladr＝3.912/γm-ladr。

第二方面，本发明实施例中提供了一种雾区能见度反演系统，包括：激光雷达，毫米波雷达，伺服平台和处理器，其中，

所述伺服平台，连接所述激光雷达和所述毫米波雷达，用于控制所述激光雷达和所述毫米波雷达时空同步扫描；

所述处理器，连接所述伺服平台、所述激光雷达和所述毫米波雷达，用于指示所述伺服平台控制所述激光雷达和所述毫米波雷达时空同步扫描，并接收所述激光雷达返回的激光回波信号和所述毫米波雷达返回的毫米波回波信号，针对每个扫描方向，根据所述激光回波信号，获取激光雷达消光系数廓线，所述激光雷达消光系数廓线为表示各扫描位置到扫描中心点的距离与各扫描位置的激光雷达消光系数之间对应关系的曲线；根据所述激光雷达消光系数廓线，确定激光雷达有效探测区域；对所述毫米波回波信号进行处理，获取毫米波雷达基数据，所述毫米波雷达基数据包括毫米波雷达反射率因子；根据所述毫米波雷达反射率因子，识别所述扫描区域中的雾区；将重叠区域内的激光雷达消光系数与所述毫米波雷达反射率因子进行数据融合，获取毫米波雷达等效消光系数，所述重叠区域为所述激光雷达有效探测区域和所述毫米波雷达识别出的雾区之间的重叠区域；根据所述毫米波雷达等效消光系数，确定所述毫米波雷达识别出的雾区的能见度。

本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开实施例提供的雾区能见度反演方法有效结合了激光雷达探测灵敏度高和毫米波雷达探测距离远的优势，实现了雾区能见度的精确反演。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：

图1示出根据本公开一实施方式的一种雾区能见度反演方法的流程图；

图2示出根据本公开一实施方式的一种重叠区域的获取过程示意图；

图3示出根据本公开一实施方式的确定激光雷达有效探测区域的相关曲线图；

图4示出根据本公开一实施方式的雾区能见度反演系统的结构示意图。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施方式，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施方式无关的部分。

在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。

另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

下面通过具体实施例详细介绍本公开实施例的细节。

图1示出根据本公开一实施方式的一种雾区能见度反演方法的流程图，如图1所示，所述雾区能见度反演方法包括以下步骤S101-S107：

在步骤S101中，控制激光雷达和毫米波雷达时空同步扫描，获取扫描区域的激光回波信号和毫米波回波信号；

在步骤S102中，针对每个扫描方向，根据所述激光回波信号，获取激光雷达消光系数廓线，所述激光雷达消光系数廓线为表示各扫描位置到扫描中心点的距离与各扫描位置的激光雷达消光系数之间对应关系的曲线；

在步骤S103中，根据所述激光雷达消光系数廓线，确定激光雷达有效探测区域；

在步骤S104中，对所述毫米波回波信号进行处理，获取毫米波雷达基数据，所述毫米波雷达基数据包括毫米波雷达反射率因子；

在步骤S105中，根据所述毫米波雷达反射率因子，识别所述扫描区域中的雾区；

在步骤S106中，将重叠区域内的激光雷达消光系数与所述毫米波雷达反射率因子进行数据融合，获取毫米波雷达等效消光系数，所述重叠区域为所述激光雷达有效探测区域和所述毫米波雷达识别出的雾区之间的重叠区域；

在步骤S107中，根据所述毫米波雷达等效消光系数，确定所述毫米波雷达识别出的雾区的能见度。

本公开可以控制激光雷达和毫米波雷达时空同步进行周期性扫描，通过激光雷达扫描得到的激光回波信号确定激光雷达的有效探测区域，通过毫米波雷达扫描得到的毫米波回波信号识别出该毫米波雷达的扫描区域内的雾区，示例的，图2示出根据本公开一实施方式的一种重叠区域的获取过程示意图，如图2所示，该激光雷达探测灵敏度高但是穿透力差，因此得到的有效探测区域Q1就会较小，该毫米波雷达的探测距离远，扫描区域大，因此识别出的雾区Q2会较大，该有效探测区域Q1和该雾区Q2之间的重叠区域Q12就是两个雷达的观测有效重叠区域，由于毫米波雷达反射率因子与能见度之间的经验公式反演能见度误差很大，而消光系数与能见度之间的经验公式对应的反演结果更准确，故对这个重叠区域Q12内的激光雷达消光系数与毫米波雷达反射率因子进行数据融合，获取得到融合因子，该融合因子可以一定程度上反映毫米波雷达反射率因子与激光雷达消光系数之间的对应关系，根据该融合因子以及该毫米波雷达识别出的雾区内的反射率射率因子，就可以得到该毫米波雷达识别出的雾区内的等效消光系数；然后通过该毫米波雷达等效消光系数即可反演确定所述毫米波雷达识别出的雾区的能见度，这样得到雾区能见度就会比较精确。

由上述可知，本实施例提供的雾区能见度反演方法有效结合了激光雷达探测灵敏度高和毫米波雷达探测距离远的优势，实现了雾区能见度的精确反演。

在本公开一实施方式中，上述雾区能见度反演方法中的步骤S103可以实现为以下步骤A1至A4：

在步骤A1中，对所述激光雷达消光系数廓线σ进行5级sym8小波变换，得到变换后激光雷达消光系数廓线；

在步骤A2中，将所述变换后激光雷达消光系数廓线的均值确定为信噪比阈值σavg，将变换后激光雷达消光系数廓线中消光系数的最大值作为消光系数最大值σmax；

在步骤A3中，将所述消光系数最大值σmax后第一个消光系数处于下降过程的过零点对应的位置作为有效探测区域的边界位置，所述过零点为所述信噪比阈值σavg与所述变换后激光雷达消光系数廓线的交点；

在步骤A4中，根据各扫描方向上的边界位置确定所述激光雷达有效探测区域。

在该实现方式中，该激光雷达消光系数和该激光雷达消光系数廓线的定义和获取方法是本领域人员清楚了解的，在此不再详述。

图3示出根据本公开一实施方式的确定激光雷达有效探测区域的相关曲线图，如图3所示，图3给出了一个扫描方向上的激光雷达消光系数廓线σ，以及对该激光雷达消光系数廓线σ进行5级sym8小波变换得到的变换后激光雷达消光系数廓线，从图3中可以看出，该信噪比阈值σavg与所述变换后激光雷达消光系数廓线的交点有很多个，如过零点1和过零点2等等，其中过零点2为消光系数最大值点后第一个消光系数处于下降过程的过零点，那么在该方向上激光雷达有效探测区域的边界位置就是过零点2对应的横轴x1对应的位置，即在该扫描方向上至扫描中心点的距离在x1以内的位置都属于激光雷达的有效探测区域。

如此，通过上述方式就可以得到激光雷达有效探测区域在各个扫描方向上的边界位置，进而得到激光雷达有效探测区域。

在本实施例的一个可选实现方式中，所述毫米波回波信号包括：所述毫米波雷达在距离高度显示RHI扫描模式下在目标方位扫描得到的第一毫米波回波信号；以及所述毫米波雷达在平面位置显示PPI扫描模式下扫描得到的第二毫米波回波信号。

在该实现方式中，该RHI扫描模式和PPI扫描模式是本领域人员清楚了解的，在此不再详述。

这里需要说明的是，在本实施例的雾区检测中，为提高扫描效益和节约时间，该毫米波雷达在该RHI扫描模式下扫描的最大仰角控制在30°以内，可以根据具体情况设置。

在本实施例的一个可选实现方式中，上述雾区能见度反演方法中的步骤S104可以实现为以下步骤B1：

在步骤B1中，分别对所述第一毫米波回波信号和所述第二毫米波回波信号进行预设处理，得到RHI扫描模式下目标方位垂直面上的第一毫米波雷达反射率因子和PPI扫描模式下平面上的第二毫米波雷达反射率因子，所述预设处理包括相干积累、快速傅立叶变换和谱平均处理。

在该可选实现方式，该预设处理中的相干积累、快速傅立叶变换和谱平均这些处理均为本领域人员熟知的处理方式，在此不再一一详述。

在该可选实现方式，对所述第一毫米波回波信号进行预设处理后可以得到RHI扫描模式下目标方位垂直面上的第一毫米波雷达反射率因子，对该第二毫米波回波信号进行预设处理后可以得到PPI扫描模式下平面上的第二毫米波雷达反射率因子。

在本实施例的一个可选实现方式中，上述雾区能见度反演方法中的步骤B1中的预设处理还可以包括中值滤波和腐蚀膨胀处理。

在该实现方式中，可以分别对所述第一毫米波回波信号和所述第二毫米波回波信号进行相干积累、快速傅立叶变换和谱平均处理，得到第一备用毫米波雷达反射率因子和第二备用毫米波雷达反射率因子；这里获取的第一备用毫米波雷达反射率因子和第二备用毫米波雷达反射率因子可能含有杂波，此时需要对含有杂波的备用反射率因子做中值滤波和腐蚀膨胀处理，使其更符合实际情况，进而使后续的能见度反演更准确。故分别对所述第一备用毫米波雷达反射率因子和所述第二备用毫米波雷达反射率因子进行中值滤波和腐蚀膨胀处理，得到所述第一毫米波雷达反射率因子和所述第二毫米波雷达反射率因子。

在该可选实现方式，该预设处理中的中值滤波和腐蚀膨胀这些处理均为本领域人员熟知的处理方式，在此不再一一详述。

在本实施例的一个可选实现方式中，上述雾区能见度反演方法中的步骤S105可以实现为以下步骤C1至C3：

在步骤C1中，根据所述第一毫米波雷达反射率因子ZRHI及所述第一毫米波回波信号的回波底高Hb、回波顶高Ht，对所述目标方位上的扫描区域进行垂直方向上的雾区识别，识别公式为：

Fog_area_V＝ZRHIHbHt|ZRHI≤Z0，Hb≤HB，Ht≤HT；

其中，所述Fog_area_V表示所述目标方位上的垂直雾区范围，所述Z0、HB、HT为预设的初始阈值；

在步骤C2中，根据所述目标方位上的垂直雾区范围在PPI扫描模式上的投影，得到所述垂直雾区范围在所述PPI扫描模式上的最近端的边界位置a和最远端的边界位置b；

在步骤C3中，根据所述第二毫米波雷达反射率因子ZPPI及所述a和b，对所述扫描区域进行水平方向上雾区识别，识别公式为：

其中，所述Fog_area_H表示为PPI扫描模式下平面上的第二毫米波雷达反射率因子小于等于Z0且与位置a至位置b区间相连通的连通域。

在该实现方式中，所述连通域为水平方向上的雾区，所述Zi为小于等于Z0的第二毫米波雷达反射率因子。

在该实现方式中，该目标方位上的垂直雾区范围Fog_area_V与该第一毫米波雷达反射率因子ZRHI及所述第一毫米波回波信号的回波底高Hb、回波顶高Ht相关，根据ZRHI、Hb和Ht可以确定目标方位上的垂直雾区范围Fog_area_V，该垂直雾区范围Fog_area_V为目标方位上垂直方向上的一个立体区域Q3。

在该实现方式中，该毫米波雷达在PPI扫描模式下在一个仰角上扫描一圈，扫描的相当于一个平面区域，将该垂直雾区范围Fog_area_V在该PPI扫描模式扫描的平面区域上进行投影，可以得到述垂直雾区范围最近端在水平方向上的边界位置a和最远端在水平方向上的边界位置b。然后就可以根据该a、b、回波连通域Zi以及该PPI扫描模式下平面上的小于等于Z0的第二毫米波雷达反射率因子Zi对扫描区域进行水平方向上的雾区识别，得到一个连通域Fog_area_H，所述连通域为水平方向上的雾区，该水平方向上的雾区范围就是该毫米波雷达识别出的雾区。

在本实施例的一个可选实现方式中，上述雾区能见度反演方法中的步骤C1至C3中，所述目标方位包括至少一个方位，相应的，识别出所述至少一个方位对应的至少一个水平方向上雾区，对所述至少一个水平方向上雾区进行合并得到所述扫描区域中的雾区。

在该实现方式中，该目标方位可以是一个方位，也可以是两个或两个以上不同的方位。在该目标方位是一个方位时，按照上述步骤C1至C3可以确定出一个水平方向上的雾区作为该毫米波雷达识别出的雾区。当该目标方位是两个或两个以上不同方位时，针对每个方位，可以按照上述步骤C1至C3分别确定出一个水平方向上的雾区，将这至少一个水平方向上雾区进行合并就可以得到所述扫描区域中的雾区。

在该实现方式中，进行多个方位的RHI扫描有利于提高水平方向上雾区识别范围精度。

在本实施例的一个可选实现方式中，上述雾区能见度反演方法中的步骤S106可以实现为以下步骤D1至D2：

在步骤D1中，按照以下公式计算得到融合因子μ：

μ＝γavg/Zavg；

其中，γavg为所述重叠区域内激光雷达消光系数的均值，所述Zavg为所述重叠区域内第二毫米波雷达反射率因子的均值；

在步骤D2中，所述根据所述融合因子，按照以下公式计算毫米波雷达等效消光系数γm-ladr：

γm-ladr＝μ×Zm；

其中，所述Zm为所述毫米波雷达在PPI扫描模式时毫米波雷达识别的雾区内第m个距离库上的毫米波雷达反射率因子。

在该实现方式中，毫米波雷达反射率因子Z和激光雷达消光系数γ均正比于雾滴谱粒子数浓度N和直径D，公式可表示为：

在该实现方式中，可以将该重叠区域内各位置的第二毫米波雷达反射率因子ZPPI做均值计算得到Zavg，将该重叠区域内各位置的激光雷达消光系数γ做均值计算得到γavg，将两者的比值作为融合因子μ。

在该实现方式中，该融合因子

该融合因子μ只与雾滴谱直径D成比例关系，对于每个单独的雾天气过程，雾滴谱直径可近似认为保持不变，则该融合因子μ可认为是与此次雾天气过程相关的一个常数。其可以在一定程度上反映该毫米波雷达反射率因子与该激光雷达消光系数之间的对应关系，这样，根据毫米波雷达在PPI扫描模式时毫米波雷达识别的雾区内的毫米波雷达反射率因子，以及融合因子，就可以得到毫米波雷达识别出的雾区的等效消光系数。

在该可选实现方式，该距离库的定义是本领域人员熟知的，在此不再详述。按照各扫描方向上的各距离库上的第二毫米波雷达反射率因子和融合因子就可以计算出该雾区内整个平面上的等效消光系数。

在本实施例的一个可选实现方式中，上述雾区能见度反演方法中的步骤S107可以实现为以下步骤E1：

在步骤E1中，按照以下公式计算雾区能见度VISm-ladr：

VISm-ladr＝3.912/γm-ladr。

下述为本公开装置实施例，可以用于执行本公开方法实施例。

图4示出根据本公开一实施方式的雾区能见度反演系统的结构示意图，该系统可以通过软件、硬件或者两者的结合实现成为系统的部分或者全部。如图4所示，该雾区能见度反演系统包括：激光雷达401，毫米波雷达402，伺服平台403和处理器404，其中：

所述伺服平台403，连接所述激光雷达401和所述毫米波雷达402，用于控制激光雷达401和毫米波雷达402时空同步扫描；

所述处理器404，连接所述伺服平台403、所述激光雷达401和所述毫米波雷达402，用于指示所述伺服平台403控制激光雷达401和毫米波雷达402时空同步扫描，并接收所述激光雷达401返回的激光回波信号和所述毫米波雷达402返回的毫米波回波信号；根据所述激光回波信号，获取所述扫描区域内的激光雷达消光系数廓线，对所述激光雷达消光系数廓线进行处理，提取消光系数信噪比阈值和消光系数最大值，确定激光雷达有效探测区域；对所述毫米波回波信号进行处理，获取毫米波雷达基数据，根据所述毫米波雷达基数据，识别所述扫描区域中的雾区，所述毫米波雷达基数据包括毫米波雷达反射率因子；将重叠区域内的激光雷达消光系数与毫米波雷达反射率因子进行数据融合，获取融合因子，所述重叠区域为所述激光雷达有效探测区域和所述毫米波雷达识别出的雾区之间的重叠区域；根据所述融合因子，计算毫米波雷达等效消光系数；根据所述毫米波雷达等效消光系数，确定所述毫米波雷达识别出的雾区的能见度。

本实施例中雾区能见度反演系统中处理器执行的雾区能见度反演方法与上述雾区能见度反演方法对应一致，具体细节可以参见上述对雾区能见度反演方法的描述，在此不再赘述。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。