一种拟合反演海平面水平大气消光系数的方法

摘要

本发明公开了一种拟合反演海平面水平大气消光系数的方法，属于大气光学测量领域，包括：计算获得斜率法消光系数和Fernald法消光系数；比较斜率法消光系数和Fernald法消光系数，以判断海平面水平大气消光系数的均匀性；若不均匀，则对整段回波信号数据重新进行分段，计算每个数据分段的拟合优度；以最大拟合优度值对应的数据分段为最佳边界值拟合区域；在最佳边界值拟合区域中采用双组分拟合法拟合出消光系数的边界值；将消光系数的边界值作为反演的边界值，采用Fernald法迭代反演出所有每个数据分段的消光系数值，进而获得消光系数廓线。本发明方法尤其适合测量还海平面非均匀水平大气消光系数。

说明书

技术领域

本发明属于大气光学测量领域，更具体的说，一种基于改进的Mie式散射激光雷达的海上大气气溶胶水平消光系数廓线的测量方法。

背景技术

近几年，随着经济的迅速发展，环境的破坏也越来越严重，尤其是大气的污染已严重影响到人们的身体健康和日常生活，因此，对大气进行探测研究显得更加重要。

人们所熟知的大气能见度(Visibility)能够反映大气的透明程度，是与大气探测相关的物理量之一。大气能见度是一个重要的气象观测要素，能见度值的预报不仅用于气象部门的天气分析，还能广泛应用于航空、航海、高速公路等交通运输、军事以及环境监测等领域。

对大气能见度的测量实质是对气溶胶消光系数的测量。气溶胶探测技术主要可以分为两大类：被动探测与主动探测。其中，被动探测又主要包含卫星被动遥感探测和地面太阳辐射计等。主动探测即激光雷达探测。

激光雷达用于大气气溶胶探测具有探测范围广和高时空分辨率的特点，近年来被广泛应用于大气与环境检测领域。激光雷达作为一种主动遥感探测工具，可以获得丰富的气溶胶相关的光学特性，而能提供较为准确的气溶胶光学特性信息，激光雷达可以与卫星或者机载遥感探测相结合，适用范围较为广泛。

利用激光雷达探测大气气溶胶消光系数，通常是针对垂直大气。在获得垂直大气激光雷达数据之后利用Fernald方法进行垂直方向上的消光系数廓线反演。然而，在海洋上水平大气气溶胶光学特性的探测也是十分有必要的。因为，在船舶航行过程中，实时获取船只周围的水平大气能见度变化可以避免因能见度过低引发的航行安全问题。更重要的，在军事应用方面，获得舰船之间区域的气溶胶消光系数分布对实现高效的舰船间激光通信有着非常重要的意义。

然而，现有的对于水平大气消光系数测量技术存在一定局限性，其测量值不准确，没有实际应用的价值。因为，现有技术中，将激光雷达系统用于水平大气气溶胶测量的过程中，通常先假设大气均匀分布，然后使用斜率法反演获得一个固定的消光系数值。但是，在实际情况当中，大气水平均匀分布的假设并不成立。尤其在海洋上，由于特殊的气候条件导致海洋上低层大气中的水汽凝结聚集从而产生海雾。这种海雾厚度通常在几百米到数千米不等。激光雷达对气溶胶探测的距离范围通常为公里量级，则对存在海雾的情况下假设大气均匀分布，显然不能够获得准确的气溶胶消光系数值。

因此，需要对现有装置或者方法进行改进，以能准确测量出海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种拟合反演海平面水平大气消光系数的方法，其目的在于，根据海平面水平大气特点，设计出能同时测量均匀海平面大气以及非均匀海平面大气消光系数的方法，本发明方法尤其适合测量海平面非均匀水平大气气溶胶消光系数。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种拟合反演海平面水平大气消光系数的方法，其包括如下步骤：

S1：采集获得海平面水平大气的回波信号原始数据；

S2：对整段的回波信号原始数据做归一化处理，重构回波信号电压与距离关系曲线，获得回波信号数据；

S3：采用小波算法对回波信号数据进行去噪处理；

S4：采用斜率法求取经去噪处理后的回波信号数据的消光系数，称之为斜率法消光系数；

S5：将经去噪处理后整段回波信号数据依照其对应的探测距离从近至远顺序进行均匀分段，以斜率法消光系数为最后一个数据段的边界消光系数值，并由后及前地使用Fernald方法迭代反演出所有数据段的消光系数值，称之为Fernald法消光系数；

S6：比较步骤S3的斜率法消光系数和步骤S4的Fernald法消光系数，以判断海平面水平大气消光系数的均匀性，

若判定海平面水平大气的消光系数是均匀的，则选择步骤S5中任意一个均分数据段为最佳边界值拟合区域，直接进入步骤S9；

若判定该处海平面水平大气的消光系数是不均匀的，进入步骤S7；

S7：对经去噪处理后整段回波信号数据重新进行分段，对每个数据分段进行拟合优度；

S8：计算获得每个数据分段的拟合优度后，将拟合优度相互比较，以获得最大拟合优度值，最大拟合优度值对应的数据分段的均匀性最高，选择该数据分段为最佳边界值拟合区域；

S9：在最佳边界值拟合区域中采用双组分拟合法拟合出消光系数的边界值；

S10：将消光系数的边界值作为反演的边界值，采用Fernald法迭代反演出所有每个数据分段的消光系数值，将每个数据分段的消光系数值与距离联系起来形成消光系数廓线。

进一步的，步骤S6中，比较步骤S3的斜率法消光系数和步骤S4的Fernald法消光系数，以判断海平面水平大气消光系数的均匀性具体包括如下步骤，

S61：将探测距离与步骤S3获得斜率法消光系数、将探测距离与步骤S4获得的Fernald法消光系数分别代入激光雷达方程，反推出斜率法消光系数下回波信号功率P_TC和Fernald法消光系数下的回波信号功率P_f，

S62：将斜率法消光系数下回波信号功率P_TC和Fernald法消光系数下的回波信号功率代入下列公式，计算出残差平方和RSS，

RSS＝∑(P_f-P_TC)²

其中，各个参数的含义为：P_TC为斜率法消光系数下回波信号功率，P_f为Fernald法消光系数下的回波信号功率P_f，

S63：依据下述公式计算海平面水平大气的回波信号原始数据中包含的最大噪声P_3σ(r)：

P_3σ(r)＝P_o(r)+3σ·ε

其中，各个参数的含义为，P_o(r)是理想无噪声的回波信号功率，σ是所含噪声的标准偏差，ε是一列期望为0、标准差为1的高斯分布随机序列，

S64：依据下述公式计算残差平方和的阈值RSS_thr：

RSS_thr＝∑(P_3σ(r)-P_o(r))²

其中，各个参数的含义为，P_o(r)是理想无噪声的回波信号功率，P_3σ(r)为海平面水平大气的回波信号原始数据中包含的的最大噪声，

S65：将子步骤S62计算的残差平方和与子步骤S64计算的残差平方和阈值作比较，

若残差平方和小于残差平方和阈值，则判定海平面水平大气的消光系数是均匀，

若残差平方和小于残差平方和阈值，则判定海平面水平大气的消光系数是不均匀。

进一步的，步骤S5中，将经去噪处理后整段回波信号数据中总共两万个数据点依照其对应的探测距离从近至远顺序进行均匀分段，总共分为两千个数据段。

进一步的，步骤S7中，对经去噪处理后整段回波信号数据重新进行分段，由下述公式分别对每个数据分段进行拟合优度的计算：

其中，R_new代表每个数据分段的拟合优度，和分别代表了每个数据分段的斜率法回波信号功率和Fernald法回波信号功率，R_new的范围在0-1之间，

所述斜率法回波信号功率是指由斜率法消光系数反推获得的回波信号功率，

所述Fernald法回波信号功率是指由Fernald法反演得到的消光系数反推回去的回波信号的功率；

进一步的，步骤S7中，对经去噪处理后整段回波信号数据重新进行分段，获得多个数据分段，每个数据分段的包括不同个数的数据点。

进一步的，还包括步骤S11：

S11：分析步骤S10获得的消光系数廓线，将其与实际消光系数廓线作对比，以进行误差分析。由于系统或者天气的原因会对结果造成影响，会存在误差，做误差分析，能把影响的原因分析出来。

进一步的，步骤S61中，所述激光雷达方程为：

P(r)＝CP₀r^-2βexp(-2αr)

其中，各个参数的含义为：P(r)表示回波信号功率，r表示探测距离，C表示激光雷达常数，P₀表示激光发射功率，β表示大气后向散射系数，α是大气消光系数。

本发明提供了一种分段式Fernald法拟合反演消光系数的方法来对回波信号作进一步的反演处理，适合测量海平面非均匀水平大气的消光系数廓线。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明方法中，具有初步判断海平面大气是否均匀的步骤，如不均匀，对经去噪处理后整段回波信号数据重新进行分段，对每个数据分段进行拟合优度计算，获得最大拟合优度值，最大拟合优度值对应的数据分段的均匀性最高，选择该数据分段为最佳边界值拟合区域，在最佳边界值拟合区域中采用双组分拟合法拟合出消光系数的边界值，将消光系数的边界值作为反演的边界值，采用Fernald法迭代反演出所有每个数据分段的消光系数值，将每个数据分段的消光系数值与距离联系起来形成消光系数廓线。由于采用了分段Fernald反演方法，能够取得非均匀水平方向上大气消光系数的分布廓线，比现有垂直法能更好的分析观测水平方向上消光系数变化。

附图说明

图1是本发明中拟合反演海平面非均匀水平大气消光系数的方法流程示意图；

图2是本发明中海平面非均匀水平大气气溶胶分段放大后的散射回波信号；

图3本发明实施例获得的海平面上非均匀水平大气消光系数廓线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

对于激光雷达用于水平消光系数测量反演方法的不足，本发明设计了一种分段Fernald反演方法，用于对非均匀水平大气气溶胶消光系数的测量。

图1是本发明中拟合反演海平面非均匀水平大气消光系数的方法流程示意图，由图可知，其包括如下步骤：

S1：处理器接收由Pico数字示波器输入的回波信号原始数据，将数据读取至Matlab程序中。

S2：对整段回波信号原始数据做归一化处理，重构回波信号电压与距离关系曲线，获得回波信号数据。

S3：由于背景光、电类噪声等噪声对信号的干扰，接收到的回波信号原始数据不稳定，存在毛刺现象，这一步骤即采用小波算法对回波信号原始数据进行去噪处理，使回波信号数据曲线变得更加平滑；

该步骤也可称为小波去噪，小波去噪是一个函数逼近问题，即寻找从实际信号空间到小波函数空间的最佳映射，以便得到原信号的最佳恢复。

S4：使用斜率法求取经去噪处理后整段回波信号数据的消光系数，称之为斜率法消光系数，该斜率法消光系数作为后续处理的参考值之一。

S5：将整段信号的譬如两万个数据点均匀分段形成譬如两千个数据段(对数据均匀分段，对数据进行简化)，以上一步中斜率法求得的斜率法消光系数为最后一段的边界消光系数值，并由远及近地使用Fernald方法迭代反演出所有数据段的消光系数值，称之为Fernald法消光系数，将每一段的Fernald法消光系数与距离联系起来形成消光系数廓线。

S6：比较步骤S3的斜率法消光系数和步骤S4的Fernald法消光系数，以判断海平面水平大气消光系数的均匀性，

若判定海平面水平大气的消光系数是均匀的，则选择步骤S5中任意一个均分数据段为最佳边界值拟合区域，直接进入步骤S9；

若判定该处海平面水平大气的消光系数是不均匀的，进入步骤S7；

具体包括如下步骤：

S61：将探测距离与步骤S3获得斜率法消光系数、将探测距离与步骤S4获得的Fernald法消光系数分别代入激光雷达方程，反推出斜率法消光系数下回波信号功率P_TC和Fernald法消光系数下的回波信号功率P_f，

所述激光雷达方程为：

P(r)＝CP₀r^-2βexp(-2αr)

其中，各个参数的含义为：P(r)表示回波信号功率，r表示探测距离，C表示激光雷达常数，P₀表示激光发射功率，β表示大气后向散射系数，α是大气消光系数。

S62：将斜率法消光系数下回波信号功率P_TC和Fernald法消光系数下的回波信号功率代入下列公式，计算出残差平方和RSS，

RSS＝∑(P_f-P_TC)²

其中，各个参数的含义为：P_TC为斜率法消光系数下回波信号功率，P_f为Fernald法消光系数下的回波信号功率P_f，

S63：依据下述公式计算海平面水平大气的回波信号原始数据中包含的的最大噪声P_3σ(r)：

P_3σ(r)＝P_o(r)+3σ·ε

其中，各个参数的含义为，P_o(r)是理想无噪声的回波信号功率，σ是所含噪声的标准偏差，ε是一列期望为0、标准差为1的高斯分布随机序列，

S64：依据下述公式计算残差平方和的阈值RSS_thr：

RSS_thr＝Σ(P_3σ(r)-P_o(r))²

其中，各个参数的含义为，P_o(r)是理想无噪声的回波信号功率，P_3σ(r)为海平面水平大气的回波信号原始数据中包含的的最大噪声，

S65：将子步骤S62计算的残差平方和与子步骤S64计算的残差平方和阈值作比较，

若残差平方和小于残差平方和阈值，则判定海平面水平大气的消光系数是均匀，

若残差平方和小于残差平方和阈值，则判定海平面水平大气的消光系数是不均匀。

S7：由于整段探测距离上的消光系数是不均匀的，对经去噪处理后整段回波信号数据重新进行分段，以分段处理回波信号，对每个数据分段进行拟合优度计算，由下述公式分别对每个数据分段进行拟合优度的计算：

其中，R_new代表每个数据分段的拟合优度，和分别代表了每个数据分段的斜率法回波信号功率和Fernald法回波信号功率，R_new的范围在0-1之间，所述斜率法回波信号功率是指由斜率法消光系数反推获得的回波信号功率，所述Fernald法回波信号功率是指由Fernald法反演得到的消光系数反推回去的回波信号的功率；

S8：计算获得每个数据分段的拟合优度后，将拟合优度相互比较，以获得最大拟合优度值，最大拟合优度值对应的数据分段的均匀性最高，选择该数据分段为最佳边界值拟合区域；

S9：在最佳边界值拟合区域中采用双组分拟合法拟合出消光系数的边界值。

S10：将消光系数的边界值作为反演的边界值，采用Fernald法迭代反演出所有每个数据分段的消光系数值，将每个数据分段的消光系数值与距离联系起来形成消光系数廓线。

S11：分析步骤S10获得的消光系数廓线，将其与实际消光系数廓线作对比，以进行误差分析。此步骤，只是单纯的做误差分析。因为，由于系统或者天气的原因会对结果造成影响，不可能没有误差。

本发明方法中，相对于已有的测量大气水平能见度的系统和方法，可采用譬如带有门控功能的光电倍增管作为探测器来分段采集大气后向散射回波信号。由计算机发出门控信号控制开门延迟时间以达到探测器分段采集不同距离处散射回波信号的目的。将分段采集的信号输送至可控放大模块中，通过计算机的控制信号控制放大电路对不同段的信号做不同倍率的放大处理，近距离的散射回波信号放大倍率小以防止出现信号饱和削顶现象，远距离的散射回波信号放大倍率大可以更好的提取出远距离处的回波信号，增大其与系统热噪声等噪声的信噪比。再将分段放大后的信号输入Pico数字示波器，由示波器转化成数字信息并存储显示数据。

图2是本发明中海平面非均匀水平大气气溶胶分段放大后的散射回波信号，通过计算机控制光电倍增管开门探测譬如六次，分别控制每次开门延迟时间，分段记录散射回波信号。与此同时，计算机控制放大模块对六段进行不同倍率的放大，得到如附图2所示的分段放大散射回波信号。

接着，再对该回波信号做进一步反演处理，由Fernald法取代斜率法反演水平方向上的消光系数廓线，Fernald方法是将大气分子和悬浮颗粒物对激光光束发生散射现象的影响区分开，并假定颗粒物消光后向散射比为常数，在此基础上求解Mie散射激光雷达方程从而得到消光系数。

在本发明的一个实施例中，譬如首先以六个分段的不同放大倍率值作为参数对整条曲线进行归一化处理；随后对信号进行降噪处理以减小噪声对反演结果的影响，提高性噪比，这里我们采用了小波去噪算法，根据多次试验，选取‘db4’作为小波变换的小波基进行软阈值处理；再取最后几公里数据，通过双组分拟合法精确估计气溶胶消光系数边界值；将该消光系数作为Fernald算法的起始数据向近距离递归逐一求取不同距离处对应的消光系数，并作出距离和消光系数关系曲线即得到水平方向上的大气消光系数廓线。

图3是本发明实施例获得的海平面上非均匀水平大气消光系数廓线，其为2016年6月29日至2016年7月15日在黄渤海海域进行海洋大气消光系数观测实验时获得到数据，通过Fernald算法反演得到的水平方向上大气消光系数廓线。由该图可看出，在水平方向上大气消光系数有明显变化，这和实际情况相符。本发明能够准确获得消光系数的分布情况，这对于辨别航行时能见度变化提供了一定的参考价值。

本发明方法在于将Fernald反演消光系数方法替代传统的斜率法对水平方向上的消光系数反演得到消光系数廓线，能更好的分析水平方向上消光系数的变化。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。