一种新的大气消光系数边界值确定方法

本文以激光雷达测量机场跑道斜程能见度为应用背景,提出了一种基于不动点原理的大气消光系数边界值确定方法,将确定消光系数边界值的问题转化为求解函数不动点。首先在边界层底部选取参考点,假设一个消光系数边界值,在Klett反演算法的基础上,构建消光系数均值与边界值之间的函数关系。然后依据函数不动点存在性和唯一性的条件判断不动点...     

基于Fernald和Klett方法确定气溶胶消光系数边界值

基于Fernald方法和Klett方法,推导出一个具有明确物理意义的确定气溶胶消光系数边界值的表达式,该式比目前用于确定边界值的Collis斜率法表达式增加了两项：空气分子消光系数项和后向散射项,这两项与Collis斜率法的值符号相反。空气分子消光系数项较小,但后向散射项为后向散射系数的倒数和导数的乘积,绝对值能达到Collis斜率法的75.2 %。分析表明,考虑了新增两项反演的大气气溶胶光学厚度（AOD）与实测更接近,所以增加这两项是合理的、必要的。不同标高反演2007年9月20日的AOD在0.20~0.25之间,变化范围较小;反演的AOD方差为0.003,相对较小。说明新方法对标高的依赖较小且较稳定。分析424个时次晴空资料的反演结果可知,反演比实测大7.4%,反演与实测的相关系数为93.2%,相对误差和绝对误差分别为10.9%和0.03,反演的AOD方差为0.02,AOD小于0.45（占到资料总数的91.7%）时,反演结果较好。     

基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法

提出了一种基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法,其核心思想是将确定大气气溶胶消光系数边界值的问题转化为求解函数不动点。首先建立大气消光系数边界值与大气光学厚度和激光雷达回波信号之间的函数关系;其次依据函数不动点存在性和唯一性的条件估计不动点的存在,通过不动点迭代求得大气消光系数边界值,并由此值来确定大气气溶胶消光系数边界值。将本方法应用于实际激光雷达回波信号的反演中,得到低层大气气溶胶消光系数垂直廓线,并与在对流层顶使用洁净层法确定边界值所得的结果进行了对比。结果表明,利用本方法确定边界值,可以较为准确地反演出低层大气气溶胶消光系数。本方法可以预先估计不动点的存在区间、合理选取迭代初始值,具有收敛速度快、迭代次数少的优点,实际应用价值较强。     

最小二乘法拟合大气激光雷达回波信号估算消光系数边界值

报道了一种使用最小二乘法拟合大气激光雷达回波信号，计算消光系数边界值的算法。对于无云层天气条件，利用最小二乘法对回波信号全程拟合获得大气消光系数边界值，在有云层天气下，先将激光雷达信号在大气中的传输光路分解为云层区和非云层区，忽略回波信号中的云层信息，并假设在非云层区大气近似均匀，利用最小二乘法拟合获得大气消光系数边界值。最后利用消光系数边界值求解激光雷达方程，反演获得大气消光系数，实际计算证明，用此算法可获得与实际更为接近的大气消光系数反演结果。     

非线性方程法确定低空探测机载激光雷达消光系数边界值

提出了机载激光雷达进行低空探测时确定消光系数边界值的非线性方程法。首先根据机载激光雷达方程推导出消光系数边界值与机载激光雷达回波信号之间的函数关系,构建一个以消光系数边界值为变量的非线性方程。然后采用改进Jarratt法求此非线性方程的数值解,得到消光系数边界值。使用地基激光雷达真实回波信号数据模拟得到的机载激光雷达回波信号,进行了实验验证,并与斜坡法进行了比较。结果表明,本方法确定边界值的相对误差比斜坡法减小5.9%,由于其具有六阶的收敛特性,迭代次数仅为3次。该方法不需辅助测量设备,精度较高,收敛速度快,迭代次数少,具有良好的应用前景。     

激光雷达探测的大气气溶胶空间二维分布

提出了通过改变激光束仰角的斜程探测得到气溶胶空间二维分布的方案。利用自行研制的Mie散射激光雷达系统对合肥西郊上空的大气气溶胶进行了连续的斜程探测,并通过相应的数据处理方法,得到气溶胶消光系数二维分布图及其随时间的演变图。给出了2005年12月2日的典型探测结果,这些结果不仅全面直观地反映了大气空间某一纵向剖面的气溶胶消光系数分布情况,而且清楚地显示了这一分布随时间的整体变化趋势,这对于实时的大气环境监测具有重要意义。     

激光雷达斜程能见度的一种探测方法及其分析

提出利用激光雷达多仰角探测方法对大气斜程积分能见度测量的方案.该方案以大气光学厚度替代传统的利用大气消光系数分布求解斜程能见度,从而克服了在低能见度下,由于大气多次散射,斜程能见度难以测准的缺点,提高了探测精度,为飞机起飞着陆提供了较为准确的气象参数.利用Monte-Carlo方法模拟计算了3种大气消光分布情况下采用该方法测量的积分能见度.结果表明：在激光探测区域内和垂直高度相同的大气消光分布均匀的假设条件下,只要在设计激光雷达时,恰当选择系统参数（如激光脉冲能量、积分累计时间、窄带滤光片带宽等）使得信噪比满足一定的条件,该方法是可行的,且能见度探测误差不超过4.3%.     

成像激光雷达大气消光系数的反演方法

针对成像激光雷达的应用背景,利用Klett迭代方法求解水平路程激光大气传播的消光系数,并采用Monte-Carlo方法对典型应用背景下的接收信号进行了模拟,结果表明：采用该方法求解的消光系数的理论误差小于6％;在考虑大气湍流起伏的情况下,消光系数的起伏变化明显,但是与理论模型的变化趋势吻合。     

成像激光雷达大气消光系数的反演方法

针对成像激光雷达的应用背景,利用Klett 迭代方法求解水平路程激光大气传播的消 光系数,并采用Monte2Carlo 方法对典型应用背景下的接收信号进行了模拟,结果表明:采用该方法求解的消光系数的理论误差小于6 %;在考虑大气湍流起伏的情况下,消光系数的起伏变化明显,但是与理论模型的变化趋势吻合。     

大气消光系数的透过率迭代法求解研究

通过激光雷达对近地面层大气探测,利用透过率迭代法导出了大气消光系数的求解公式。     

基于Mie散射激光雷达的气溶胶消光系数反演方法

Mie散射激光雷达在探测气溶胶光学特性方面应用极其广泛,但在确定气溶胶消光系数边界值、后向散射消光对数比等方面缺乏精准性。基于Klett后向积分模型,提出了一种利用Mie散射激光雷达反演气溶胶消光系数的方法。首先,通过构建非线性方程,利用Steffensen迭代法获得气溶胶消光系数边界值。其次,借助差分吸收激光雷达函数模型推导气溶胶后向散射消光对数比。最后,引入反馈系统,不断修正边界值,减小气溶胶消光系数反演的误差。实验结果表明,该算法能够更快速地获取消光系数边界值并反演出高精度的气溶胶消光系数,平均相对误差低于10 %,在气溶胶探测中应具有广阔的应用前景。     

半导体激光雷达的斜程能见度测量方法

针对雾天或多云天气等不均匀大气中斜程能见度难以测量的问题,提出了利用905 nm半导体激光雷达探测大气斜程及水平能见度的方法,能够探测50～2 000 m能见度范围.介绍了半导体激光雷达的系统结构,利用激光雷达测量大气能见度的原理,探测大气斜程平均能见度值.详细阐述了一种稳定的通过大气消光系数反演能见度的迭代算法,可实现迭代边界值最大距离的自动化选取,提高了迭代结果的可靠性.通过模拟计算,对该迭代方法的精度进行了评估.结果显示:50、200、800、2 000 m的能见度,迭代精度分别为33%,2%,0.1%,0.3%,由于采样点少导致极低能见度的迭代精度较低.     

气溶胶后向散射消光对数比对消光系数反演的影响研究

使用Mie散射激光雷达在阴、雾和晴三种天气状况下采集了大气回波信号,从所测数据反演气溶胶消光系数的过程中发现,气溶胶后向散射消光对数比对反演结果存在较大影响.在阴天天气下,当后向散射消光对数比从0.7变化到1.0时,气溶胶消光系数反演结果相差近5倍;对晴天天气,反演结果相差近3倍;而在有雾天气,其反演结果变化不大.通过参考大气能见度因子对消光系数进行修正,并从而获得对应的后向散射消光对数比,给出了一种根据天气状况确定气溶胶后向散射消光对数比的新方法.实际反演计算表明,用此方法可获得与实际更为接近的气溶胶消光系数.     

Mie散射激光雷达回波信号处理方法

为了提高Mie散射激光雷达测量斜程能见度的精度,提出了一种回波信号处理的组合算法。首先,采用基于经验模式分解(EMD)的自适应算法,去除回波信号中的高频噪声,提高信噪比。其次,采用基于不动点原理的迭代算法进行消光系数的反演,它不需要准确的边界值就可计算消光系数均值,同时还能得到准确的边界值,可用于求取消光系数的分布。数值仿真表明:EMD算法比五点三次平滑去噪算法输出信噪比提高4.67 dB,不动点迭代算法比最小二乘法估算消光系数边界值算法反演得到的消光系数均值的相对误差减小31.50%,而迭代次数只有3~5次,因此该组合算法是有效的。