CN116359947A - 一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，属于大气监测技术领域。本发明实现方法为：获取水平方向的气溶胶回波信号数据，对原始信号进行背景去噪、几何重叠因子修正、距离平方修正和平滑处理；在最大探测距离附近设置初始参考点，并结合差分比较与小波变化对处理后的气溶胶回波信号数据进行突变区间定位；在相邻突变区间之间重新选取新参考点，使用Collis—Fernald迭代算法求得新参考点附近的消光系数边界值稳定解；将得到的初始参考点和初始参考点处消光系数边界值代入Fernald后向积分公式，反演得到初始参考点直至探测路径起点之间距离上的气溶胶消光系数值。本发明能够提高消光系数反演的精度和可靠性。

Description

一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法

技术领域

本发明属于大气监测技术领域，涉及一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法。

背景技术

随着人类社会的发展，环境污染问题日益引起人们的关注。大气污染是其中的一个重要方面，而气溶胶是造成大气污染的主要来源之一。气溶胶是由各种微小颗粒和液滴组成的混合物，它们悬浮在大气中，影响了大气的透明度和光学特性。因此，对气溶胶光学特性的研究具有重要的科学意义和实际应用价值。由于具有探测距离远、相干性好、时空分辨率高等独特技术优势，激光雷达成为气溶胶研究领域的不可或缺手段。但这种雷达也存在着一些缺点，如不能实现精确到单光子的探测、测距精度受多次反射影响、容易受到雨雾天气、雪天、霾天、沙尘暴和强光照射等复杂环境的影响。目前，已有多种方法用于测量水平方向气溶胶消光系数，但由于大气条件的复杂性和仪器的局限性，仍然存在很多问题和挑战。例如，由于气溶胶粒子尺寸和浓度的变化，信号可能会受到背景噪声、几何重叠因子、信号突变区间等的影响，从而导致误差和不确定性。

在已发展的激光雷达探测气溶胶消光系数的方法中，在先技术[1](参见冯帅,蒋立辉,熊兴隆,等.含有突变信号的激光雷达能见度反演[J].红外与激光工程,2017,46(3):330001-0330001(7).)针对信号中的突变信号导致反演误差问题，基于对突变信号进行定位和剔除进行消光系数反演，但是该方法将大气简化为均匀分布，过于理想化不适合实际探测。

在先技术[2](参见Ma X,Wang C,Han G,et al.Regional atmospheric aerosolpollution detection based on LiDAR remote sensing[J].Remote Sensing,2019,11(20):2339.)中提出一种Collis—Fernald算法对气溶胶消光系数进行反演，但是该方法采用Fernald前向积分且没有考虑到突变区间对反演过程的误差。

在先技术[3](参见杨彬,莫祖斯,邓晨,祭强,卜令兵.一种基于激光雷达的联合观测与消光系数标定反演方法[P].江苏省：CN114167448A,2022-03-11.)中采用Collis算法获取水平方向消光系数，但该方法仅将水平方向消光系数作为初始值作为垂直激光雷达消光系数的标定，没有对水平方向消光系数展开更多研究。

发明内容

针对上述现有技术的不足，为解决传统方法由于突变信号的存在而对后续路径消光系数反演带来较大误差的问题，本发明主要目的是提供一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，基于单光子激光雷达获取水平方向的气溶胶回波信号数据，对水平方向气溶胶消光系数反演，降低水平探测路径上由于突变信号而导致后续反演出现的误差，提高消光系数反演的精度和可靠性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，获取水平方向的气溶胶回波信号数据，对原始信号进行背景去噪、几何重叠因子修正、距离平方修正和平滑处理；在单光子激光雷达的最大探测距离附近设置初始参考点，并使用差分比较与小波变化相结合的方法对处理后的气溶胶回波信号数据进行突变区间定位；突变区间确定后，在相邻突变区间之间重新选取新的参考点，并使用Collis—Fernald迭代算法求得新参考点处的消光系数边界值稳定解；将得到的初始参考点和初始参考点处消光系数边界值代入Fernald后向积分公式，反演得到初始参考点直至探测路径起点之间距离上的气溶胶消光系数值；将相邻突变区间之间的新参考点作为起始点，将新参考点处的消光系数边界值再代入Fernald后向积分公式中，反演得到新参考点后续路径直至探测路径起点上的消光系数，重复上述流程直至没有突变区间；将重复得到的气溶胶消光系数数据在距离尺度上进行拼接覆盖，直至完成拼接覆盖并转为二维气溶胶消光系数廓线，即实现单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演。

本发明公开的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，包括以下步骤：

步骤一：在气溶胶待测区域依托水平云台架设搭建单光子激光雷达，通过单光子激光雷达对水平方向上的气溶胶进行探测，获取水平方向的气溶胶回波信号数据，使用单光子激光雷达以提高在复杂恶劣环境下的探测范围和探测精度。

所述复杂恶劣环境包括雨雾天气、雪天、霾天、沙尘暴和强光照射。

作为优选，步骤一中所述的激光雷达为超导纳米单光子激光雷达，包括发射模块，接收模块，存储模块和水平云台模块。发射模块包括脉冲激光器，发射脉冲激光信号，经过扩束镜和半波片将激光信号传向待测方向；接收模块包括接收望远镜、准直镜、窄带滤光片、偏振分束镜和汇聚镜，返回的后向散射信号经过准直镜调整为同一方向光信号，经滤光片去除光噪声通过偏振分束镜和汇聚经呈平行和垂直两路偏振光进入存储模块；存储模块由光电探测器、信号放大器和上位机组成，光信号通过光电探测器转化为电信号，所述电信号为水平方向气溶胶回波信号数据，经放大后存储于上位机中；水平云台模块由云台三脚架和转动支架组成。

作为优选，步骤一中单光子激光雷达采用的1550nm波长为人眼不可见光，在保证水平探测精度的前提下降低对人眼的危害。

步骤二：对步骤一中得到的水平方向气溶胶回波信号数据进行背景去噪、几何重叠因子修正、距离平方修正和平滑处理。

通过选取探测距离远端的平坦信号，取平坦信号平均值作为背景噪声，气溶胶回波信号数据减去背景噪声得到去噪信号，减少从太阳、地球、大气和人造光源辐射对气溶胶回波信号探测精度的干扰。

由于脉冲激光器发射出的脉冲激光束和大气中存在的各种物质相互作用，因此能量会随着距离的增加而衰减，这种能量衰减与距离的平方成反比，导致远距离处的信号衰减过快从而影响后续数据处理，所以通过距离平方校准以消除所述影响。

距离平方校准公式为：

X(r)＝P(r)·r² (1)

式(1)中，X(r)为距离平方修正信号，P(r)为功率信号，r为探测距离。

单光子激光雷达在测量时，激光束的发散角度和接收视场角度不同，几何重叠因子是指光子后向散射时，只有一部分光子会被接收，而其他光子则被视场角度所限制而无法接收，从而产生误差。因此通过实验法对几何重叠因子进行修正，消除误差以提高单光子激光雷达的探测精度。

为了减少大气湍流和杂散光对气溶胶回波信号数据的干扰，步骤二中进行背景去噪后需要对信号数据进行平滑处理，作为优选，平滑处理方法采用五点三次法，经过平滑处理后得到的信号数据有更高的可靠性和精确度。

五点三次法具体为：

(2)式中x(t)为待平滑的气溶胶回波信号数据，t＝1,2,…,N。

步骤三：在单光子激光雷达的最大探测距离附近设置初始参考点，由于受距离制约，最大探测距离附近几乎没有光子返回，可以将最大距离附近的大气看做为气溶胶颗粒含量很少的洁净大气且均匀分布，以便于使用Collis法确定初始参考点处消光系数边界值。

步骤三中，Collis方法具体为：

S(r)＝ln[P(r)·r²] (3)

将(3)式代入(4)式中，求得大气均匀条件下的消光系数值为：

(3)式中S为对数距离校正信号；P为激光雷达信号强度功率；r为激光雷达探测距离；(4)式中E为激光雷达固定参数，为常数；C为激光雷达的矫正常数；β为总的大气后向散射系数，包括大气分子后向散射系数和气溶胶分子后向散射系数；(5)式中σ为求解出的总大气消光系数，包括大气分子消光系数和气溶胶分子消光系数。

步骤四：由于探测路径上气溶胶分布不均匀，导致气溶胶回波信号数据存在突变区间，从而影响后续路径上气溶胶消光系数的反演精度，通过差分比较法确定回波信号数据中的突变区间，得到回波信号数据突变区间的突变起点r_bps1与突变终点r_bpe1；针对相同的回波信号数据，通过小波变化法求得突变区间的突变起点r_bps2与突变终点r_bpe2。

作为优选，步骤四中的差分比较法具体为：计算步骤三中对数距离校正信号及其一阶前向差分值，将该值与预先设定的阈值G进行比较，完成对突变区间的定位。

作为优选，步骤四中的小波变化法具体为：对步骤三处理后的气溶胶回波信号数据进行小波分解得到小波系数，对小波系数进行阈值处理，将处理后的小波系数进行重构得到重构后的信号数据，通过计算原始信号数据与重构信号数据的误差，完成对突变区间的定位。

步骤四中由于差分比较法和小波变化法各有优缺点，导致得到的突变区间(r_bps1,r_bpe1)和(r_bps1,r_bpe1)可能有所不同，故采取交集的方法将两种算法共同确定的突变区间提取出来，减少误判率，提高信号突变区间确定的准确性和可靠性。

步骤五：利用步骤四中确定的突变区间，对气溶胶回波信号数据在相邻突变区间内确定新的参考点，使用Collis—Fernald迭代算法新参考点处的消光系数边界值稳定解。

由于相邻突变区间之间气溶胶回波信号数据相对平坦，相邻突变区间之间气溶胶回波信号数据可以等效为均匀分布，从而通过步骤三中的Collis法确定新参考点处的消光系数边界值σ。

将获得的新参考点处的消光系数边界值σ代入Fernald后向积分公式中求得相邻突变区间距离内的消光系数平均值σ_mean，然后判断σ与σ_mean的大小。若新参考点处消光系数边界值σ大于该段距离内的消光系数平均值σ_mean，将σ_mean作为消光系数边界值，继续代入Fernald后向积分公式中迭代；若新参考点处消光系数边界值σ小于该段距离内的消光系数平均值σ_mean则停止迭代，将σ_mean作为最终的新参考点处消光系数边界值。

作为优选，由于Fernald后向积分公式相比Fernald前向积分公式能够处理更长的脉冲宽度，受到的噪声和干扰更少，所以步骤五中使用Fernald后向积分公式进行消光系数反演，提高对气溶胶消光系数的反演精度和可靠性：

Fernald后向积分公式为：

(6)式中，r_c为参考距离，S_a＝α_a(r)/β_a(r)，S_m＝α_m(r)/β_m(r)，其中α_m(r)为大气分子的消光系数，通过温湿压标准大气模型获得空气分子的密度，再通过分子瑞利散射理论计算求得，气溶胶分子的消光系数边界值α_a(r)由气溶胶分子散射比1+β_a(r_c)/β_m(r_c)来确定。

步骤六：将步骤三中得到的初始参考点和初始参考点处消光系数边界值代入Fernald后向积分公式，反演得到初始参考点直至探测路径起点之间距离上的气溶胶消光系数值。

步骤七：待完成首次后向积分之后，判断初始参考点后有无突变区间，若有突变区间，则将步骤五中相邻突变区间之间的首个新参考点作为起始点，将新参考点处的消光系数边界值再代入Fernald后向积分公式中，反演得到新参考点后续路径直至探测路径起点上的消光系数，再进行判断并重复上述流程直至没有突变区间。以此重复操作减少突变区间对气溶胶消光系数反演的误差，从而提高对水平方向气溶胶消光系数反演的探测精度和可靠性。

步骤八：将步骤六中得到的初始气溶胶消光系数数据与步骤七中得到的新气溶胶消光系数数据进行拼接覆盖，直至完成拼接覆盖。

步骤九：通过步骤八得到单光子激光雷达水平探测方向上的一维气溶胶消光系数值，根据激光雷达扫描速度和角度，将一维气溶胶消光系数值转化为二维气溶胶消光系数廓线，即实现对水平方向气溶胶消光系数反演。

有益效果：

1、本发明公开的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，在相邻突变区间使用Collis法确定新参考点处的消光系数边界值，与代入Fernald算法求得的消光系数平均值通过比较进行迭代算法求解，经过有限次迭代可求得新参考点处气溶胶消光系数边界值的稳定解，进而提高后续反演结果的精度。

2、本发明公开的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，使用差分比较法和小波变换法分别确定气溶胶回波信号数据中的突变区间之后，通过交集法确定最终突变区间，减少单一算法对突变区间的误判率，提高信号突变区间确定的准确性和可靠性。

3、本发明公开的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，对气溶胶回波信号数据的平滑处理使用五点三次法，减少大气湍流和杂散光对气溶胶回波信号数据的干扰，提高对气溶胶消光系数反演的探测精度和可靠性。

4、本发明公开的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，采用的超导纳米单光子激光雷达使用波长为1550nm的人眼不可见光进行探测，提高在雨雾天气、雪天、霾天、沙尘暴和强光照射此类复杂恶劣环境下的探测范围和探测精度的同时降低对人眼的危害性。

5、本发明公开的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，将每一参考点通过Fernald后向积分公式所得到的气溶胶消光系数值进行拼接覆盖至上一次反演的数据基础之上，减少突变区间所带来的反演误差，提高反演数据可靠性。

附图说明

图1本发明的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法流程示意图；

图2本发明中所涉及到的单光子激光雷达集合重叠因子随探测距离变化图；

图3本发明的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数探测***结构示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，具体实现步骤如下：

步骤一：在气溶胶待测区域依托水平云台架设搭建单光子激光雷达，通过单光子激光雷达对水平方向上的气溶胶进行探测，获取水平方向的气溶胶回波信号数据，使用单光子激光雷达以提高在复杂恶劣环境下的探测范围和探测精度。

所述复杂恶劣环境包括雨雾天气、雪天、霾天、沙尘暴和强光照射。

所述的激光雷达为超导纳米单光子激光雷达，包括发射模块，接收模块，存储模块和水平云台模块。发射模块包括脉冲激光器，发射脉冲激光信号，经过扩束镜和半波片将激光信号传向待测方向；接收模块包括接收望远镜、准直镜、窄带滤光片、偏振分束镜和汇聚镜，返回的后向散射信号经过准直镜调整为同一方向光信号，经滤光片去除光噪声通过偏振分束镜和汇聚经呈平行和垂直两路偏振光进入存储模块；存储模块由光电探测器、信号放大器和上位机组成，光信号通过光电探测器转化为电信号，所述电信号为水平方向气溶胶回波信号数据，经放大后存储于上位机中；水平云台模块由云台三脚架和转动支架组成。

步骤一中单光子激光雷达采用的1550nm波长为人眼不可见光，在保证水平探测精度的前提下降低对人眼的危害。

步骤二：对步骤一中得到的水平方向气溶胶回波信号数据进行背景去噪、几何重叠因子修正、距离平方修正和平滑处理。

通过选取探测距离远端的平坦信号，取平坦信号平均值作为背景噪声，气溶胶回波信号数据减去背景噪声得到去噪信号，减少从太阳、地球、大气和人造光源辐射对气溶胶回波信号探测精度的干扰。

由于脉冲激光器发射出的脉冲激光束和大气中存在的各种物质相互作用，因此能量会随着距离的增加而衰减，这种能量衰减与距离的平方成反比，导致远距离处的信号衰减过快从而影响后续数据处理，所以通过距离平方校准以消除所述影响。

距离平方校准公式为：

X(r)＝P(r)·r² (7)

式(7)中，X(r)为距离平方修正信号，P(r)为功率信号，r为探测距离。

单光子激光雷达在测量时，脉冲激光发射器的发射角度和接收视场角度不同，几何重叠因子是指光子后向散射时，只有一部分光子会被接收，而其他光子则被视场角度所限制而无法接收，从而产生误差。以平行轴收发***为例，其中脉冲激光发射器发射角度和望远镜接收视场角分别用α和β表示，几何重叠因子用η表示。

如图2所示，几何重叠因子与探测距离呈以下变化关系：当探测距离r≤R₁时，η＝0，这段距离被称为单光子激光雷达盲区，即完全没有激光信号进入接收视场；当R₁<r<R2时，0＜η＜1，单光子激光雷达回波信号进入过渡区，随着距离原来越远，进入接收视场的回波信号越来越多；当r≥R₂时，η＝1，即单光子激光雷达回波信号完全进入望远镜接收视场内。因此可以通过实验法对几何重叠因子进行修正，消除误差以提高单光子激光雷达的探测精度。

几何重叠因子选取实验法进行订正：选择在刚下过雨后的夜晚进行标定，此时近地面水平一定范围内大气气溶胶含量较少，空气较为整洁，大气分布比较均匀，通过单光子激光雷达水平探测，连续采集信号进行线性拟合计算，可以得到对应距离内的几何重叠因子。

考虑几何重叠因子时，(4)式可以看作为：

(4)式中的激光雷达矫正常数等价为(8)式中的η(r)，为几何重叠因子校正结果。

将(8)式变化可得到：

ln(P(r)·r²)＝ln(Eη(r)(β(r))-2σ(r)·r (9)

当探测距离r＝R₂时，几何重叠因子η＝1，此时激光雷达回波信号为P₀(r),(9)式可变为：

将A与B代入(9)式中变换可以得到几何重叠因子为：

为了减少大气湍流和杂散光对气溶胶回波信号数据的干扰，步骤二中进行背景去噪后需要对信号数据进行平滑处理，平滑处理方法采用五点三次法，在相应点处取相邻的5个数据点，通过拟合出一条3次曲线来，然后将3次曲线上相应位置所对应的的数据值。作为平滑处理后的结果经过平滑处理后得到的信号数据有更高的精确度和可靠性。

五点三次法具体为：

(12)式中x(t)为待平滑的气溶胶回波信号数据，t＝1,2,…,N。

步骤三：在单光子激光雷达的最大探测距离附近设置初始参考点，由于受距离制约，最大探测距离附近几乎没有光子返回，可以将最大距离附近的大气看做为气溶胶颗粒含量很少的洁净大气且均匀分布，以便于使用Collis法确定初始参考点处消光系数边界值。

在单光子激光雷达的最大探测距离附近，根据P(r)r²/β_m(r)来尽可能远的确定参考点。

步骤三中，Collis方法具体为：

S(r)＝ln[P(r)·r²] (13)

将(13)式代入(14)式中，求得大气均匀条件下的消光系数值为：

(13)式中S为对数距离校正信号；P为激光雷达信号强度功率；r为激光雷达探测距离；(14)式中E为激光雷达固定参数，为常数；C为激光雷达的矫正常数；β为总的大气后向散射系数，包括大气分子后向散射系数和气溶胶分子后向散射系数；(15)式中σ为求解出的总大气消光系数，包括大气分子消光系数和气溶胶分子消光系数。

步骤四：由于探测路径上气溶胶分布不均匀，导致气溶胶回波信号数据存在突变区间，从而影响后续路径上气溶胶消光系数的反演精度，通过差分比较法确定回波信号数据中的突变区间，得到回波信号数据突变区间的突变起点r_bps1与突变终点r_bpe1；针对相同的回波信号数据，通过小波变化法求得突变区间的突变起点r_bps2与突变终点r_bpe2。

步骤四中的差分比较法具体为：计算步骤三中对数距离校正信号及其一阶前向差分值，将该值与预先设定的阈值G进行比较，完成对突变区间的定位。

其中，差分比较法具体步骤为：

设收发视场完全重合的距离为r₀，远场区起点设为r_n，它们分别由***几何重叠因子、回波信号信噪比决定。区间(r₀,r_n)为激光雷达回波信号数据有效区。为判断有效区内是否存在突变，计算r₀后各采样点的对数距离校正信号及其一阶前向差分值。

对数距离校正信号为：

S(r)＝ln[P(r)·r²] (16)

一阶前向差分值为：

ΔS_i＝S(r_i+1)-S(r_i) (17)

将一阶前向差分值与预先设定的阈值G进行比较，G为r_i前五点一阶前向差分平均值k倍的绝对值，其中G为：

进一步的，如果△S_i≥G，直接判断当前点r_i为上升突变起点。如果0<△S_i＜G，为避免误判或漏判，继续计算r_i后续三点的一阶前向差分及这三点处S(r)的均值，如果存在两点或两点以上数的一阶前向差分值大于零或S(r)均值大于当前点S(r_i)值，则r_i也为上升突变起点。否则，认为当前点不是上升突变起点，而是噪声引起的信号起伏。若已判断该点不是上升突变，则继续判断是否为下降突变起点，判断方法类似于上升突变。此过程持续到寻找到突变起点，标记为r_bps，或当前回波信号不存在信号突变，直接利用回波信号的有效区反演能见度。

进一步的，对区间(r₀，r_bps-1)的数据段进行最小二乘拟合，记录突变起点r_bps对应的拟合值S(r_bps)。然后将后续各点S(r)值与S(r_bps)循环比较，直到这两点数值相近且满足在上升突变条件下为降趋势或者在下降突变条件下为上升趋势为止，由此确定突变终点r_bpe。

步骤四中的小波变化法具体为：对步骤三处理后的气溶胶回波信号数据进行小波分解得到小波系数，对小波系数进行阈值处理，将处理后的小波系数进行重构得到重构后的信号数据，通过计算原始信号数据与重构信号数据的误差，完成对突变区间的定位。

其中，小波变化的具体步骤为：

首先对信号进行小波分解，得到一系列的小波系数；对得到的小波系数进行阈值处理，将较小的小波系数置为0，保留较大的小波系数；对处理后的小波系数进行重构，得到重构后的信号；通过计算原始信号和重构信号之间的误差，找到突变点的位置，突变点通常对应于信号中较大的误差区域；根据误差的大小和位置，对突变点进行定位和分析，从而确定具体的突变区间。

步骤四中由于差分比较法和小波变化法各有优缺点，导致得到的突变区间(r_bps1,r_bpe1)和(r_bps2,r_bpe2)可能有所不同，故采取交集的方法将两种算法共同确定的突变区间提取出来，减少误判率，提高信号突变区间确定的准确性和可靠性。

步骤五：利用步骤四中确定的突变区间，对气溶胶回波信号数据在相邻突变区间内确定新的参考点，使用Collis—Fernald迭代算法新参考点处的消光系数边界值稳定解。

由于相邻突变区间之间气溶胶回波信号数据相对平坦，相邻突变区间之间气溶胶回波信号数据可以等效为均匀分布，从而通过步骤三中的Collis法确定新参考点处的消光系数边界值σ。

新的参考点在相邻突变区间之间通过P(r)r²/β_m(r)确定。

将获得的新参考点处的消光系数边界值σ代入Fernald后向积分公式中求得相邻突变区间距离内的消光系数平均值σ_mean，然后判断σ与σ_mean的大小。若新参考点处消光系数边界值σ大于该段距离内的消光系数平均值σ_mean，将σ_mean作为消光系数边界值，继续代入Fernald后向积分公式中迭代；若新参考点处消光系数边界值σ小于该段距离内的消光系数平均值σ_mean则停止迭代，将σ_mean作为最终的新参考点处消光系数边界值。

由于Fernald后向积分公式相比Fernald前向积分公式能够处理更长的脉冲宽度，受到的噪声和干扰更少，所以步骤五中使用Fernald后向积分公式进行消光系数反演，提高对气溶胶消光系数的反演精度和可靠性：

Fernald后向积分公式为：

(19)式中，r_c为参考距离，S_a＝α_a(r)/β_a(r)，S_m＝α_m(r)/β_m(r)，其中α_m(r)为大气分子的消光系数，通过温湿压标准大气模型获得空气分子的密度，再通过分子瑞利散射理论计算求得，气溶胶分子的消光系数边界值α_a(r)由气溶胶分子散射比1+β_a(r_c)/β_m(r_c)来确定。

其中，S_a在20～100Sr的范围内取值。

其中，S_a的值为50。

其中，S_m的值为8π/3。

步骤六：将步骤三中得到的初始参考点和初始参考点处消光系数边界值代入Fernald后向积分公式，反演得到初始参考点直至探测路径起点之间距离上的气溶胶消光系数值。

步骤七：待完成首次后向积分之后，判断初始参考点后有无突变区间，若有突变区间，则将步骤五中相邻突变区间之间的首个新参考点作为起始点，将新参考点处的消光系数边界值再代入Fernald后向积分公式中，反演得到新参考点后续路径直至探测路径起点上的消光系数，再进行判断并重复上述流程直至没有突变区间。以此重复操作减少突变区间对气溶胶消光系数反演的误差，从而提高对水平方向气溶胶消光系数反演的探测精度和可靠性。

步骤八：将步骤六中得到的初始气溶胶消光系数数据与步骤七中进行得到新气溶胶消光系数数据进行拼接覆盖，直至完成拼接覆盖。

步骤九：通过步骤八得到单光子激光雷达水平探测方向上的一维气溶胶消光系数值，根据激光雷达扫描速度和角度，将一维气溶胶消光系数值转化为二维气溶胶消光系数廓线，即实现对水平方向气溶胶消光系数反演。

实施例2：

如图3所示，一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数探测***装置，包括发射模块，接收模块，存储模块和水平云台模块。

进一步的，发射模块包括脉冲激光发射器，发射脉冲激光信号，经过扩束镜和半波片将激光信号传向待测方向。接收模块包括接收望远镜、准直镜、窄带滤光片、偏振分束镜和汇聚镜，返回的后向散射信号经过准直镜调整为同一方向光信号，经滤光片去除光噪声通过偏振分束镜和汇聚经呈平行和垂直两路偏振光进入存储模块；存储模块由光电探测器、信号放大器和上位机组成，光信号通过光电探测器转化为电信号，经放大后存储于上位机中并进行后续信号处理；水平云台模块由云台三脚架和转动支架组成。

本实施例中，单光子激光雷达水平探测距离大于5km，扫描水平一周所需时间小于9min，单线时间分辨率为1-2s，扫描速度0.01°～15°/s，扫描角误差±0.1°，距离分辨率为15m和30m两个档位；脉冲激光器的重复频率为小于20kHz，波长采用1550nm，单个脉冲能量小于35μj。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：在气溶胶待测区域依托水平云台架设搭建单光子激光雷达，通过单光子激光雷达对水平方向上的气溶胶进行探测，获取水平方向的气溶胶回波信号数据，使用单光子激光雷达以提高在复杂恶劣环境下的探测范围和探测精度；

所述复杂恶劣环境包括雨雾天气、雪天、霾天、沙尘暴和强光照射；

步骤二：对步骤一中得到的水平方向气溶胶回波信号数据进行背景去噪、几何重叠因子修正、距离平方修正和平滑处理；

步骤三：在单光子激光雷达的最大探测距离附近设置初始参考点，由于受距离制约，最大探测距离附近几乎没有光子返回，可以将最大距离附近的大气看做为气溶胶颗粒含量很少的洁净大气且均匀分布，以便于使用Collis法确定初始参考点处消光系数边界值；

步骤四：由于探测路径上气溶胶分布不均匀，导致气溶胶回波信号数据存在突变区间，从而影响后续路径上气溶胶消光系数的反演精度，通过差分比较法确定回波信号数据中的突变区间，得到回波信号数据突变区间的突变起点r_bps1与突变终点r_bpe1；针对相同的回波信号数据，通过小波变化法求得突变区间的突变起点r_bps2与突变终点r_bpe2；

步骤五：利用步骤四中确定的突变区间，对气溶胶回波信号数据在相邻突变区间内确定新的参考点，使用Collis—Fernald迭代算法新参考点处的消光系数边界值稳定解；

由于相邻突变区间之间气溶胶回波信号数据相对平坦，相邻突变区间之间气溶胶回波信号数据可以等效为均匀分布，从而通过步骤三中的Collis法确定新参考点处的消光系数边界值σ；

将获得的新参考点处的消光系数边界值σ代入Fernald后向积分公式中求得相邻突变区间距离内的消光系数平均值σ_mean，然后判断σ与σ_mean的大小；若新参考点处消光系数边界值σ大于该段距离内的消光系数平均值σ_mean，将σ_mean作为消光系数边界值，继续代入Fernald后向积分公式中迭代；若新参考点处消光系数边界值σ小于该段距离内的消光系数平均值σ_mean则停止迭代，将σ_mean作为最终的新参考点处消光系数边界值；

步骤六：将步骤三中得到的初始参考点和初始参考点处消光系数边界值代入Fernald后向积分公式，反演得到初始参考点直至探测路径起点之间距离上的气溶胶消光系数值；

步骤七：待完成首次后向积分之后，判断初始参考点后有无突变区间，若有突变区间，则将步骤五中相邻突变区间之间的首个新参考点作为起始点，将新参考点处的消光系数边界值再代入Fernald后向积分公式中，反演得到新参考点后续路径直至探测路径起点上的消光系数，再进行判断并重复上述流程直至没有突变区间；以此重复操作减少突变区间对气溶胶消光系数反演的误差，从而提高对水平方向气溶胶消光系数反演的探测精度和可靠性；

步骤八：将步骤六中得到的初始气溶胶消光系数数据与步骤七中得到的新气溶胶消光系数数据进行拼接覆盖，直至完成拼接覆盖；

步骤九：通过步骤八得到单光子激光雷达水平探测方向上的一维气溶胶消光系数值，根据激光雷达扫描速度和角度，将一维气溶胶消光系数值转化为二维气溶胶消光系数廓线，即实现对水平方向气溶胶消光系数反演。

2.如权利要求1所述的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：步骤一中所述的激光雷达为超导纳米单光子激光雷达，包括发射模块，接收模块，存储模块和水平云台模块；发射模块包括脉冲激光器，发射脉冲激光信号，经过扩束镜和半波片将激光信号传向待测方向；接收模块包括接收望远镜、准直镜、窄带滤光片、偏振分束镜和汇聚镜，返回的后向散射信号经过准直镜调整为同一方向光信号，经滤光片去除光噪声通过偏振分束镜和汇聚经呈平行和垂直两路偏振光进入存储模块；存储模块由光电探测器、信号放大器和上位机组成，光信号通过光电探测器转化为电信号，所述电信号为水平方向气溶胶回波信号数据，经放大后存储于上位机中；水平云台模块由云台三脚架和转动支架组成。

3.如权利要求2所述的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：步骤一中单光子激光雷达采用的1550nm波长为人眼不可见光，在保证水平探测精度的前提下降低对人眼的危害。

4.如权利要求1、2或3所述的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：步骤二中，通过选取探测距离远端的平坦信号，取平坦信号平均值作为背景噪声，气溶胶回波信号数据减去背景噪声得到去噪信号，减少从太阳、地球、大气和人造光源辐射对气溶胶回波信号探测精度的干扰；

由于脉冲激光器发射出的脉冲激光束和大气中存在的各种物质相互作用，因此能量会随着距离的增加而衰减，这种能量衰减与距离的平方成反比，导致远距离处的信号衰减过快从而影响后续数据处理，所以通过距离平方校准以消除所述影响；

距离平方校准公式为：

X(r)＝P(r)·r²(1)

式(1)中，X(r)为距离平方修正信号，P(r)为功率信号，r为探测距离；

单光子激光雷达在测量时，激光束的发散角度和接收视场角度不同，几何重叠因子是指光子后向散射时，只有一部分光子会被接收，而其他光子则被视场角度所限制而无法接收，从而产生误差；因此通过实验法对几何重叠因子进行修正，消除误差以提高单光子激光雷达的探测精度。

5.如权利要求4所述的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：平滑处理方法采用五点三次法，经过平滑处理后得到的信号数据有更高的可靠性和精确度；

五点三次法具体为：

(2)式中x(t)为待平滑的气溶胶回波信号数据，t＝1,2,…,N。

6.如权利要求5所述的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：步骤三中，Collis方法具体为：

S(r)＝ln[P(r)·r²](3)

将(3)式代入(4)式中，求得大气均匀条件下的消光系数值为：

(3)式中S为对数距离校正信号；P为激光雷达信号强度功率；r为激光雷达探测距离；(4)式中E为激光雷达固定参数，为常数；C为激光雷达的矫正常数；β为总的大气后向散射系数，包括大气分子后向散射系数和气溶胶分子后向散射系数；(5)式中σ为求解出的总大气消光系数，包括大气分子消光系数和气溶胶分子消光系数。

7.如权利要求6所述的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：步骤四中，

步骤四中的差分比较法具体为：计算步骤三中对数距离校正信号及其一阶前向差分值，将该值与预先设定的阈值G进行比较，完成对突变区间的定位；

步骤四中的小波变化法具体为：对步骤三处理后的气溶胶回波信号数据进行小波分解得到小波系数，对小波系数进行阈值处理，将处理后的小波系数进行重构得到重构后的信号数据，通过计算原始信号数据与重构信号数据的误差，完成对突变区间的定位；

采取差分比较法和小波变化法交集的方法将两种算法共同确定的突变区间提取出来，减少误判率，提高信号突变区间确定的准确性和可靠性。

8.如权利要求7所述的一种单光子激光雷达水平方向气溶胶消光系数反演方法，其特征在于：步骤五中使用Fernald后向积分公式进行消光系数反演，提高对气溶胶消光系数的反演精度和可靠性：

Fernald后向积分公式为：

(6)式中，r_c为参考距离，S_a＝α_a(r)/β_a(r)，S_m＝α_m(r)/β_m(r)，其中α_m(r)为大气分子的消光系数，通过温湿压标准大气模型获得空气分子的密度，再通过分子瑞利散射理论计算求得，气溶胶分子的消光系数边界值α_a(r)由气溶胶分子散射比1+β_a(r_c)/β_m(r_c)来确定。

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