CN112596046A - 一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，包括：532nm平行偏振通道校正系数标定、532nm垂直偏振通道校正系数标定、1064nm通道校正系数标定和星地联合观测校正星上反演光学参数。本发明采用高海拔分子归一化方法，通过校准信噪比较高的夜间532nm平行通道信号实现对532nm平行通道定标过程；通过532nm平行通道校正系数和偏振增益比实现532nm垂直偏振通道校正系数标定；利用卷云信号实现1064nm通道校正系数标定；从地面站点激光雷达定标设备数据反演的气溶胶光学参数为卫星大气激光雷达信号廓线提供定标依据。本发明处理速度快、定标结果准确，适用于星载大气探测激光雷达对地探测模式，能够有效提升星载后向散射系数或消光系数的数据反演精度。

Description

一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法

技术领域

本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法。

背景技术

星载大气探测激光雷达作为大气遥感主动探测的有效工具，克服了地基激光雷达遥感范围受限和被动遥感受制于太阳辐射而无法在夜晚工作的不足，能够实现对全球范围内的云和气溶胶进行长时间的连续观测。为更好的了解气溶胶和云在气候变化中的作用，星载大气探测激光雷达能够以高分辨率观测全球范围内云和气溶胶的垂直结构，对全球气候变化预测不确定性的影响提供更详尽的依据。

大气探测激光雷达原理是通过激光与大气气溶胶粒子的相互作用得到散射信号，经过雷达方程和算法反演得到表征大气光学特征参数值，如反演消光系数、光学厚度等。求解雷达方程是反演后向散射系数和消光系数的关键问题，而雷达方程中存在较多***参数，***参数是控制激光雷达灵敏度和效率的许多仪器参数的乘积，如：望远镜接收面积、光学效率、探测器量子效率、***增益以及几何重叠因子等参数，且会随时间变化。因此在轨校准期间需测量激光雷达***参数，进行星上定标。

经过星上定标后获得的卫星数据可以被广泛地应用在气候变化、环境变化、天气过程和数值模式同化等多个科学领域。

发明内容

本发明是为了解决激光雷达***星上定标的问题，提供一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，该方法处理速度快、定标结果准确，适用于星载大气探测激光雷达对地探测模式，能够有效提升星载后向散射系数或消光系数的数据反演精度。

本发明提供一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，包括如下步骤：

S1、532nm平行偏振通道校正系数标定：使用分子归一化方法，获取532nm平行偏振通道校正系数C_532,p，进行532nm平行偏振通道定标；

S2、532nm垂直偏振通道校正系数标定：使用偏振模式下532nm 平行偏振通道归一化信号和532nm垂直偏振通道归一化信号，得到偏振增益比，结合532nm平行偏振通道校正系数C_532,P得到532nm垂直通道校正系数C_532,S以及532nm通道校正系数C₅₃₂；

S3、1064nm通道校正系数标定：获得532nm通道总衰减后向散射系数，利用在卷云条件下1064nm通道和532nm通道存在的线性关系，获取1064nm通道校正系数C₁₀₆₄；

S4、星地联合观测校正星上反演光学参数：使用卫星过境地面定标站点提供的校准参数，星载大气探测激光雷达反演获取光学参数。

本发明所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，作为优选方式，步骤S1在夜间进行。

本发明所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，作为优选方式，步骤S1包括：

S11、获得大气分子消光系数：将大气分子散射截面积Q_s(λ)、高度为z的大气压强P(z)和温度T(z)代入下述公式获得大气分子消光系数σ_m(z,λ)：

其中，N_A是阿伏伽德罗常数，N_A＝6.02214×10²³mol^-1，R_a是气体常数，R_a＝8.314472；

S12、获得分子后向散射系数和分子双程透射率：将大气分子消光系数σ_m(z,λ)代入下述公式获得分子后向散射系数β(z)和分子双程透射率T²(z)，

S13、获得532nm平行偏振通道校正系数：将分子后向散射系数 T²(z)、分子双程透射率T²(z)代入下述公式获得532nm平行偏振通道校正系数C_532,p：

其中，z为532nm平行偏振通道的海拔距离，P₀为激光器发射功率，G_A为探测器增益，P(z)为532nm平行偏振通道接收的原始回波功率P_532,P(z)。

本发明所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，作为优选方式，测量偏振增益比时，在532nm平行偏振通道和 532nm垂直偏振通道的接收光路中加入消偏片，消偏片使532nm平行偏振通道和532nm垂直偏振通道的光强相等。

本发明所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，作为优选方式，532nm垂直偏振通道校正系数C_532,S为偏振增益比与532nm平行偏振通道校正系数C_532,P相乘。

本发明所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，作为优选方式，根据以下公式计算得到532nm通道校正系数 C₅₃₂：

C₅₃₂＝C_532,p+C_532,s。

本发明所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，作为优选方式，

1064nm通道校正系数C₁₀₆₄的计算公式为：

其中：χ_c为所选云层的颜色比，

为对应波长校正大气分子、臭氧分子和背景气溶胶粒子双程衰减的距离修正信号，n为532nm或1064nm，

β₁₀₆₄(z)为1064nm通道的后向散射系数，β'₅₃₂(z) 为532nm通道衰减后向散射系数。

本发明所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，作为优选方式，步骤S4中，校准参数为以下一种或多种组合：地面激光雷达数据构建出的星载大气探测激光雷达信号廓线、地面定标站点反演的气溶胶和云层的光学参数廓线、不同云层及不同致密气溶胶层的多光子散射校正系数和激光雷达比。

本发明所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，作为优选方式，步骤S4中，光学参数为后向散射系数和星载大气探测激光雷达云层与气溶胶层的界定。

本发明所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，作为优选方式，步骤S1中，星载大气探测激光雷达接收的信号高度为海拔30～34km；

步骤S2中，星载大气探测激光雷达接收的信号高度为海拔 30～40km；

步骤S3中，卷云数据的信号高度为海拔8.2～17km且衰减散射比连续180m超过衰减后向散射阈值。

532nm平行偏振通道校正系数标定，利用30-34km的高空几乎不存在气溶胶，通过大气模式的分子数密度较为准确的计算出该高度后向散射系数，星载数据与计算出的分子后向散射系数的壁纸即为 532nm平行偏振通道的校正系数，具体为采用30-34km高度范围内分子归一化方法，获取夜间高信噪比数据进行532nm平行通道定标；

532nm垂直偏振通道校正系数标定，，由于大气分子的退偏比小于1％，采用在532nm接收光路中加入消偏振镜，获取PGR (Polarization Gain Ratio)偏振增益比数据，获得垂直通道的校正系数；

1064nm通道校正系数标定，采用532nm总衰减后向散射系数，由于1064nm在30-40km高度区间内分子散射信号探测能力几乎没有，首先计算532nm总衰减后向散射系数，利用在卷云条件下1064nm和 532nm存在的线性关系，获取1064nm通道的校正系数。

星地联合观测校正星上反演光学参数，采用卫星过境地面定标站点提供的激光雷达比等校准参数，星载数据反演获取更准确的后向散射系数等光学参数。

本发明具有以下优点：

(1)本发明通过星上自主标定获取准确的星上衰减后向散射系数数据。

(2)本发明通过地面定标站点提供的多光子散射校正系数和激光雷达比等参数，提升星载后向散射系数或消光系数的反演精度。

附图说明

图1为一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法流程图；

图2为一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法步骤S1流程图；

图3为一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法实施例3流程图；

具体实施方式

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。

实施例1

如图1所示，一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，包括如下步骤：

S1、532nm平行偏振通道校正系数标定：使用分子归一化方法，获取532nm平行偏振通道校正系数C_532,p，进行532nm平行偏振通道定标；

S2、532nm垂直偏振通道校正系数标定：使用偏振模式下532nm 平行偏振通道归一化信号和532nm垂直偏振通道归一化信号，得到偏振增益比，结合532nm平行偏振通道校正系数C_532,P得到532nm垂直通道校正系数C_532,S以及532nm通道校正系数C₅₃₂；

S3、1064nm通道校正系数标定：获得532nm通道总衰减后向散射系数，利用在卷云条件下1064nm通道和532nm通道存在的线性关系，获取1064nm通道校正系数C₁₀₆₄；

S4、星地联合观测校正星上反演光学参数：使用卫星过境地面定标站点提供的校准参数，星载大气探测激光雷达反演获取光学参数。

实施例2

如图1所示，一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，包括如下步骤：

S1、532nm平行偏振通道校正系数标定：使用分子归一化方法，获取532nm平行偏振通道校正系数C_532,p，进行532nm平行偏振通道定标；步骤S1在夜间进行；

如图2所示，步骤S1包括：

S11、获得大气分子消光系数：将大气分子散射截面积Q_s(λ)、高度为z的大气压强P(z)和温度T(z)代入下述公式获得大气分子消光系数σ_m(z,λ)：

其中，N_A是阿伏伽德罗常数，N_A＝6.02214×10²³mol^-1，R_a是气体常数，R_a＝8.314472；

S12、获得分子后向散射系数和分子双程透射率：将大气分子消光系数σ_m(z,λ)代入下述公式获得分子后向散射系数β(z)和分子双程透射率T²(z)，

S13、获得532nm平行偏振通道校正系数：将分子后向散射系数 T²(z)、分子双程透射率T²(z)代入下述公式获得532nm平行偏振通道校正系数C_532,p：

其中，z为532nm平行偏振通道的海拔距离，P₀为激光器发射功率，G_A为探测器增益，P(z)为532nm平行偏振通道接收的原始回波功率P_532,P(z)；

星载大气探测激光雷达接收的信号高度为海拔30～34km；

S2、532nm垂直偏振通道校正系数标定：使用偏振模式下532nm 平行偏振通道归一化信号和532nm垂直偏振通道归一化信号，得到偏振增益比，结合532nm平行偏振通道校正系数C_532,P得到532nm垂直通道校正系数C_532,S以及532nm通道校正系数C₅₃₂；

测量偏振增益比时，在532nm平行偏振通道和532nm垂直偏振通道的接收光路中加入消偏片，消偏片使532nm平行偏振通道和 532nm垂直偏振通道的光强相等；

532nm垂直偏振通道校正系数C_532,S为偏振增益比与532nm平行偏振通道校正系数C_532,P相乘；

根据以下公式计算得到532nm通道校正系数C₅₃₂：

C₅₃₂＝C_532,p+C_532,s；

星载大气探测激光雷达接收的信号高度为海拔30～40km；

S3、1064nm通道校正系数标定：获得532nm通道总衰减后向散射系数，利用在卷云条件下1064nm通道和532nm通道存在的线性关系，获取1064nm通道校正系数C₁₀₆₄；

1064nm通道校正系数C₁₀₆₄的计算公式为：

其中：χ_c为所选云层的颜色比，

为对应波长校正大气分子、臭氧分子和背景气溶胶粒子双程衰减的距离修正信号，n为532nm或 1064nm，

β₁₀₆₄(z)为1064nm通道的后向散射系数，β'₅₃₂(z) 为532nm通道衰减后向散射系数；

卷云数据的信号高度为海拔8.2～17km且衰减散射比连续180m 超过衰减后向散射阈值；

S4、星地联合观测校正星上反演光学参数：使用卫星过境地面定标站点提供的校准参数，星载大气探测激光雷达反演获取光学参数；

步骤S4中，校准参数为以下一种或多种组合：地面激光雷达数据构建出的星载大气探测激光雷达信号廓线、地面定标站点反演的气溶胶和云层的光学参数廓线、不同云层及不同致密气溶胶层的多光子散射校正系数和激光雷达比；

步骤S4中，光学参数为后向散射系数和星载大气探测激光雷达云层与气溶胶层的界定。

实施例3

如图3所示，一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，包括如下步骤：

S1、532nm平行偏振通道校正系数标定。

采用高海拔分子归一化方法，通过校准信噪比较高的夜间532nm 平行通道信号，实现对532nm平行通道定标过程。根据大气分子和臭氧数密度等辅助数据计算出分子后向散射系数β(z)和分子双程透射率T²(z)，将海拔30～34km测量的雷达信号P_532,p(z)，代入公式(1) 即可得到夜间的校正系数C_532,p；

S2、532nm垂直偏振通道校正系数标定。

由于大气分子的退偏比小于1％，30～40km的高度区间内垂直通道的信噪比较低，不能直接用分子信号校准。对该通道的校正是通过 C_532,p和偏振增益比(PGR)实现的，PGR的测量方法为在532nm接收光路中加入消偏片，使两通道的光强相等。利用偏振模式下水平、垂直对应的归一化信号，求解偏振增益比，结合532nm水平通道校正系数C_532,P可得到垂直通道校正系数C_532,S。

S3、1064nm通道校正系数标定。

海拔30～40km高度区间内1064nm通道的信号弱、信噪比低，无法直接用来校准。对该通道的校准是利用卷云信号实现的。利用卷云高度区间对应的归一化1064nm通道信号和532nm衰减后向散射系数求解1064nm通道校正系数。为了保证校准的准确性，计算所用卷云数据必须选取海拔高度在8.2～17km之间且对应衰减散射比连续 180m超过衰减后向散射阈值的信号作为卷云校准数据。

S4、星地联合观测校正星上反演光学参数。

在卫星地面轨迹距离地面激光雷达站空间距离小于100km，时间小于30min的条件下，卫星测量与地面测量高度相关(相关度大于 0.90)，从地面站点激光雷达定标设备数据反演的气溶胶光学参数可以构建出星载激光雷达的信号廓线。在多光子散射效应可以忽略不记的无云、无致密气溶胶层(532nm光学厚度小于0.5)的大气条件下，从地面激光雷达数据构建出的星载激光雷达信号廓线可以为卫星大气激光雷达信号廓线提供定标依据。

在卫星大气激光雷达信号廓线定标完成的基础上，地面定标站点反演的气溶胶和云层的光学参数廓线可以为卫星大气激光雷达的数据反演提供不同云层(如卷云，积雨云等)和不同致密气溶胶层(如雾霾，沙尘等)的多光子散射校正系数和必不可少的激光雷达比等参数。同时，地面激光雷达定标设备的光学参数廓线也可以为卫星大气激光雷达云层与气溶胶层的界定算法提供支持

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。

Claims (10)

1.一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、532nm平行偏振通道校正系数标定：使用分子归一化方法，获取532nm平行偏振通道校正系数C_532,p，进行532nm平行偏振通道定标；

S2、532nm垂直偏振通道校正系数标定：使用偏振模式下所述532nm平行偏振通道归一化信号和532nm垂直偏振通道归一化信号，得到偏振增益比，结合所述532nm平行偏振通道校正系数C_532,P得到532nm垂直通道校正系数C_532,S以及532nm通道校正系数C₅₃₂；

S3、1064nm通道校正系数标定：获得532nm通道总衰减后向散射系数，利用在卷云条件下1064nm通道和532nm通道存在的线性关系，获取1064nm通道校正系数C₁₀₆₄；

S4、星地联合观测校正星上反演光学参数：使用卫星过境地面定标站点提供的校准参数，星载大气探测激光雷达反演获取光学参数。

2.根据权利要求1所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：步骤S1在夜间进行。

3.根据权利要求3所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：步骤S1包括：

S11、获得大气分子消光系数：将大气分子散射截面积Q_s(λ)、高度为z的大气压强P(z)和温度T(z)代入下述公式获得大气分子消光系数σ_m(z,λ)：

其中，N_A是阿伏伽德罗常数，N_A＝6.02214×10²³mol^-1，R_a是气体常数，R_a＝8.314472(J/K/mol)；

S12、获得分子后向散射系数和分子双程透射率：将所述大气分子消光系数σ_m(z,λ)代入下述公式获得分子后向散射系数β(z)和分子双程透射率T²(z)，

S13、获得532nm平行偏振通道校正系数：将所述分子后向散射系数T²(z)、所述分子双程透射率T²(z)代入下述公式获得所述532nm平行偏振通道校正系数C_532,p：

其中，z为所述532nm平行偏振通道的海拔距离，P₀为激光器发射功率，G_A为探测器增益，P(z)为所述532nm平行偏振通道接收的原始回波功率P_532,P(z)。

4.根据权利要求1所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：测量所述偏振增益比时，在所述532nm平行偏振通道和所述532nm垂直偏振通道的接收光路中加入消偏片，所述消偏片使所述532nm平行偏振通道和所述532nm垂直偏振通道的光强相等。

5.根据权利要求4所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：所述532nm垂直偏振通道校正系数C_532,S为所述偏振增益比与所述532nm平行偏振通道校正系数C_532,P相乘。

6.根据权利要求5所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：根据以下公式计算得到532nm通道校正系数C₅₃₂：

C₅₃₂＝C_532,p+C_532,s。

7.根据权利要求6所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：

所述1064nm通道校正系数C₁₀₆₄的计算公式为：

其中：χ_c为所选云层的颜色比，

为对应波长校正大气分子、臭氧分子和背景气溶胶粒子双程衰减的距离修正信号，n为532nm或1064nm，

β₁₀₆₄(z)为1064nm通道的后向散射系数，β'₅₃₂(z)为所述532nm通道衰减后向散射系数。

8.根据权利要求1所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：步骤S4中，所述校准参数为以下一种或多种组合：地面激光雷达数据构建出的所述星载大气探测激光雷达信号廓线、地面定标站点反演的气溶胶和云层的光学参数廓线、不同云层及不同致密气溶胶层的多光子散射校正系数和激光雷达比。

9.根据权利要求8所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：步骤S4中，所述光学参数为后向散射系数和所述星载大气探测激光雷达云层与气溶胶层的界定。

10.根据权利要求1所述的一种用于星载大气探测激光雷达的高精度定标处理方法，其特征在于：

步骤S1中，所述星载大气探测激光雷达接收的信号高度为海拔30～34km；

步骤S2中，所述星载大气探测激光雷达接收的信号高度为海拔30～40km；

步骤S3中，卷云数据的信号高度为海拔8.2～17km且衰减散射比连续180m超过衰减后向散射阈值。

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