一种基于伽马谱分布的气溶胶部分微物理参数反演方法与流程

1.本发明涉及激光雷达大气探测反演技术领域，尤其涉及一种基于伽马谱分布的气溶胶部分微物理参数反演方法。


背景技术：

2.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，可以用于观测大气气溶胶的光学特性。但是，要准确地定量气溶胶粒子有效半径和数浓度等物理信息还存在许多技术困难。气溶胶的后向散射系数和消光系数是由其复折射率和粒径分布参数共同决定的，不同波段的后向散射系数和消光系数对同一气溶胶表现出不同的响应，也就是说多波长的后向散射系数和消光系数蕴含了气溶胶粒子的复折射率和有效半径信息，这就为激光雷达探测气溶胶的粒子有效半径提供了必要的理论基础。
3.利用美国标准大气模型对激光雷达米散射回波信号进行反演，可获得消光系数和后向散射系数的高度廓线。通过选择不同的波长，反演得到若干消光系数(α)和后向散射系数(β)，对其进行合理的组合，如6β+2α，3β+2α，5β+7α，结合不同的反演算法，如正则化算法、优化最小偏差法、非线性拟合等，即可反演气溶胶粒子的包括有效半径和数密度在内的微物理特性。
4.目前基于多波长激光雷达反演气溶胶粒子有效半径和数浓度的算法较为普遍，但是需要三种以上不同的波长，增加了消光系数反演过程中的不确定因子，且配套设备设计复杂，造价昂贵，成本较大。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种基于伽马谱分布的气溶胶部分微物理参数反演方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种基于伽马谱分布的气溶胶部分微物理参数反演方法，包括以下步骤：
8.步骤s1：选定气溶胶类型，根据米散射理论计算得到该气溶胶类型的消光效率因子q
ext
；
9.步骤s2：谱分布选取gamma分布，即：
10.n(r)＝n0rue-vr
ꢀꢀꢀ
(1)
11.其中，n(r)是单位尺度间隔下单位体积雨滴数，r是雨滴等效体积半径，n0为数浓度参数，v为斜率因子，u为分布形状因子；
12.步骤s3：每个有效半径下每个波长都有一个消光系数，根据消光系数与消光效率因子和谱分布的关系：
13.14.将gamma分布代入上式，有：
[0015][0016]
此外，因为谱分布n(r)是gamma分布时，参数n0对两个波长消光系数的比值没有影响，则具体步骤如下：
[0017]
通过设参数n0为一个任意常数，则：式(5)、(6)中的[r
min
,r
max
]是半径范围；
[0018]
通过选择合适的半径范围，即计算得到该有效半径下两个波长的消光系数
[0019]
步骤s4：将两个波长下的消光系数进行比值：得到双波长消光系数比值与有效半径的关系图，通过关系图快速查找得到对应的有效半径；
[0020]
步骤s5：反演获取有效半径后，通过步骤2得到对应的gamma分布参数v，并计算获得数密度n。
[0021]
进一步地，在步骤s2中，通过设u为一个常数定值，则：gamma分布各阶矩积分格式为：
[0022][0023]
各阶矩具有一定的物理意义，其中，零阶矩表示数密度：
[0024][0025]
三阶矩与二阶矩的比值表示有效半径：
[0026][0027]
在设u值后，选择要研究的气溶胶有效半径范围[r
(eff,low)
,r
(eff,high)
]，在区间范围内取对数间隔得到m个有效半径，根据式(4)可以得到每个有效半径对应的gamma分布参数v。
[0028]
进一步地，在步骤s4中，通过获得的关系图，从中发现在其中一段区间[r
(eff,a)
,r
(eff,b)
]内，消光比与有效半径存在单值关系；
[0029]
用这段单值关系建立查找表，则在反演获取双波长消光系数后，实现快速查找得到对应的有效半径r
eff
。
[0030]
进一步地，在步骤s5中，反演获取有效半径后，通过式(4)得到对应的gamma分布参数v，则式(6)中只剩下n0是未知的，计算数密度n的步骤如下：
[0031]
将反演的消光系数等代入式(6)，计算得到n0；
[0032]
将n0值代入式(3)，得到数密度n。
[0033]
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的方法操作简单，只需要两个波长，输入双波长的消光系数，即可反演获取有效半径和数浓度，运行效率高，可自动化执行，
能够适用于海量激光雷达数据处理的要求。
附图说明
[0034]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0035]
图1为本发明提出的基于伽马谱分布的气溶胶部分微物理参数反演方法的流程逻辑图；
[0036]
图2为本发明提出的基于伽马谱分布的气溶胶部分微物理参数反演方法的消光系数比-有效半径关系图；
[0037]
图3为本发明实施例的反演结果示意图。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0039]
参照图1-3，基于伽马谱分布的气溶胶部分微物理参数反演方法，包括以下步骤：
[0040]
步骤s1：选定气溶胶类型，根据米散射理论计算得到该气溶胶类型的消光效率因子q
ext
；
[0041]
步骤s2：谱分布选取gamma分布，即：
[0042]
n(r)＝n0rue-vr
ꢀꢀꢀ
(1)
[0043]
其中，n(r)是单位尺度间隔下单位体积雨滴数，r是雨滴等效体积半径，n0为数浓度参数，v为斜率因子，u为分布形状因子；
[0044]
优选的，通过设u为一个常数定值，则：
[0045]
gamma分布各阶矩积分格式为：
[0046][0047]
各阶矩具有一定的物理意义，其中，零阶矩表示数密度：
[0048][0049]
三阶矩与二阶矩的比值表示有效半径：
[0050][0051]
在设u值后，选择要研究的气溶胶有效半径范围[r
(eff,low)
,r
(eff,high)
]，在区间范围内取对数间隔得到m个有效半径，根据式(4)可以得到每个有效半径对应的gamma分布参数v。
[0052]
步骤s3：每个有效半径下每个波长都有一个消光系数，根据消光系数与消光效率因子和谱分布的关系：
[0053][0054]
将gamma分布代入上式，有：
[0055][0056]
此外，因为谱分布n(r)是gamma分布时，参数n0对两个波长消光系数的比值没有影响，则具体步骤如下：
[0057]
通过设参数n0为一个任意常数，则：式(5)、(6)中的[r
min
,r
max
]是半径范围；
[0058]
通过选择合适的半径范围，即计算得到该有效半径下两个波长的消光系数
[0059]
步骤s4：将两个波长下的消光系数进行比值：得到双波长消光系数比值与有效半径的关系图，通过关系图快速查找得到对应的有效半径；
[0060]
具体的，通过获得的关系图，从中发现在其中一段区间[r
(eff,a)
,r
(eff,b)
]内，消光比与有效半径存在单值关系；
[0061]
用这段单值关系建立查找表，则在反演获取双波长消光系数后，实现快速查找得到对应的有效半径r
eff
。
[0062]
步骤s5：反演获取有效半径后，通过步骤2得到对应的gamma分布参数v，并计算获得数密度n。
[0063]
具体的，反演获取有效半径后，通过式(4)得到对应的gamma分布参数v，则式(6)中只剩下n0是未知的，计算数密度n的步骤如下：
[0064]
将反演的消光系数等代入式(6)，计算得到n0；
[0065]
将n0值代入式(3)，得到数密度n。
[0066]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。