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专利号: 2019100954544
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种激光雷达斜程能见度的反演方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:步骤1、利用激光雷达探测反演获得不同波长下的斜程路径上大气气溶胶消光系数廓线、大气气溶胶后向散射系数廓线在高度z上的分布、大气气溶胶粒子谱分布和大气散射特性的廓线;步骤1具体按照以下步骤实施:步骤1.1、利用386nm波长下的拉曼散射回波信号强度P1N(z),精细反演355nm波长下的大气气溶胶消光系数廓线αA(λ1,z),表示为:利用607nm波长下的拉曼散射回波信号强度P2N(z),精细反演532nm波长下的大气气溶胶消光系数廓线αA(λ3,z),表示为:式中λ1为355nm,λ2为386nm,λ3为532nm,λ4为607nm;P1N为386nm的拉曼散射回波信号强度,P2N为607nm的拉曼散射回波信号强度;αM(λ1,z)为355nm波长下的大气分子消光系数,αM(λ2,z)为386nm波长下的大气分子消光系数,αM(λ3,z)为532nm波长下的大气分子消光系数,αM(λ4,z)为607nm波长下的大气分子消光系数;z为斜程探测高度、为离散点;NN(z)为大气氮气分子数密度;

步骤1.2、利用355nm+386nm大气回波信号强度随高度z的变化,获得355nm处的大气气溶胶后向散射系数廓线在高度z上的分布βA(λ1,z),表示为:利用532nm+607nm大气回波信号强度随高度z的变化,获得532nm处的大气气溶胶后向散射系数廓线在高度z上的分布βA(λ3,z),表示为:利用853nm+1064nm大气回波信号强度随高度z的变化,获得1064nm处的大气气溶胶后向散射系数廓线在高度z上的分布βA(λ6,z),表示为:式中P1M、P2M和P3M分别对应355nm、532nm和1064nm的米瑞利散射回波信号强度;P3N(z)为853nm波长下不同探测高度z处的氮气拉曼散射回波信号;βN为大气氮气分子的后向散射系数,标准大气模型提供,z0为校正高度,z0取10km,βM为大气分子的后向散射系数,也可由标准大气模型获得,λ5和λ6分别853nm和1064nm;

步骤1.3、利用上述步骤1.1和步骤1.2所得的大气气溶胶消光系数αA(λ)或后向散射系数βA(λ)作为gp(λ),求解第一类线性弗雷德霍姆(Fredholm)积分方程组,获得大气气溶胶粒子谱分布,表示为:

式中r为气溶胶粒子半径,λ为入射激光的波长,m为复折射率,n(r)为粒子数密度谱函数;gp(λ)为步骤1.1和步骤1.2求得的大气气溶胶消光系数αA(λ)或后向散射系数βA(λ),Qp(r,λ,m)为与之对应的气溶胶粒子的消光效率Qext(r,λ,m)或后向散射效率Qsca(r,λ,m);

步骤1.4、大气散射特性的廓线包括散射相函数P和单次散射反照率根据所述步骤1中步骤1.1、步骤1.2和步骤1.3所得到的参数计算散射相函数P,具体的计算公式为:

根据所述步骤1中步骤1.1、步骤1.2和步骤1.3所得到的参数计算单次散射反照率 具体的计算公式为:

式中rmin和rmax为粒子半径范围,p(λ,r,m,θ')是单个粒子散射相函数,θ′为散射角,Csca为散射截面,由后向散射效率Qsca得到;

步骤2、根据所述不同波长下的斜程路径上大气气溶胶消光系数廓线、大气气溶胶后向散射系数廓线在高度z上的分布、大气气溶胶粒子谱分布和大气散射特性的廓线计算斜程路径上的大气柱亮度;

步骤3、根据所述斜程路径上的大气柱亮度建立对比度传输系数和斜程光学厚度的函数关系;根据朗伯面假设条件,确定目标物和背景的固有对比C0;

步骤4、利用对比度传输系数和斜程光学厚度的函数关系和目标物和背景的固有对比C0,数值法精确求解斜程能见度V在不同高度上的分布,确定大气斜程能见度值。

2.根据权利要求1所述的一种激光雷达斜程能见度的反演方法,其特征在于,所述步骤

2具体按照以下步骤实施:

步骤2.1、依次输入大气气溶胶消光系数廓线αA(λ)、气溶胶单次散射反照率和散射相函数、地表反射率到SBDART计算软件;

步骤2.2、通过辐射传输方程计算得到斜程路径上的大气柱亮度D(δ),计算公式为:式中δ为斜程光学厚度,θ为观测者天顶角, 为方位角,δ0为大气层顶到地面的整层大气光学厚度,δ0为已知值,μ为观测方向和垂直方向夹角θ的余弦,J为辐射传输方程中的变量。

3.根据权利要求2所述的一种激光雷达斜程能见度的反演方法,其特征在于,所述步骤

3中建立对比度传输系数Y和斜程光学厚度δ的函数关系,表示为:式中Lb为背景亮度,Lb由利用光度计测量得到,δ0为大气层顶到地面的整层大气光学厚度,为已知值,μ为观测方向和垂直方向夹角θ的余弦。

4.根据权利要求3所述的一种激光雷达斜程能见度的反演方法,其特征在于,所述步骤

3中根据朗伯面假设条件,确定目标物和背景的固有对比C0,具体步骤为:步骤3.1、用光度计测量,测量目标物亮度LO和背景亮度Lb;

步骤3.2、根据朗伯面假设条件,利用关系式:得到目标物和背景的固有对比C0。

5.根据权利要求3所述的一种激光雷达斜程能见度的反演方法,其特征在于,所述步骤

4具体按照以下公式实施:

不同高度z对应不同的离散格点,以及该高度处的光学厚度δ和大气柱亮度D(δ),就可以得到不同高度上的V(δ)值,随着探测高度的增大,V(δ)的值逐渐减小,因此,当从地面向高空逐步往上寻找,当V(δ)小到规定对比阈值时,这个高度就是求解的大气斜程能见度值。

6.根据权利要求5所述的一种激光雷达斜程能见度的反演方法,其特征在于,所述步骤

4中的规定对比阈值为0.02和0.05。