大气探测激光雷达突变信号处理方法研究（特邀）

在大气探测激光雷达的实际应用中,当激光探测路径上存在后向散射系数很大的云雾、烟尘或硬目标,且由其引起的突变信号强烈到一定程度时,使用Fernald法后向积分反演消光系数会在突变信号后向数据中产生明显的反演误差。根据 Fernald法后向积分的特点并结合分段斜率法,提出了一种新的反演方法以应对上述情况,优化了传统算法的反演策略。即通过判断突变信号位置不断更新参考距离和边界值进行迭代反演,并将更准确的反演数据拼接覆盖到初始反演数据中。使用垂直和水平探测所得到的实测数据对反演方法进行有效性验证,并且对被优化数据和邻近无突变信号时相应的数据进行了对比。结果表明,相比传统算法,垂直和水平探测的相关数据在新的反演方法下分别优化了消光系数相对误差约79%和96%,验证了该方法具有一定的可行性。     

测风激光雷达应用于机场能见度及云底高探测

直接探测多普勒测风激光雷达通过探测大气后向散射信号的多普勒频移来反演风速。分析了上述后向散射信号在大气能见度和云底高探测上应用的可行性。选择了Klett方法反演大气能见度,并设计了分段计算云底高的流程。根据上述算法编写了反演程序并对激光雷达数据进行处理。与外场观测记录对比,得出了反演结果与目测基本吻合的结论。     

新型微脉冲激光雷达测量大气水平能见度

重点设计了微脉冲激光雷达(MPL)系统的后继光学单元,是一种新型的设计。使用收发一体Y型光纤束改变传统的激光雷达后继光学结构,实现系统的收发同轴设计。分析了新型微脉冲激光雷达在合肥地区实验观测结果,利用分段斜率法反演气溶胶水平消光系数,获得了大气能见度及变化特征,具有明显的日变化特征,并与HW-N1型前向散射式能见度仪测量结果进行了对比,二者相关系数达到0.81。此外,理论误差分析结果也表明当能见度在10km以下时MPL的测量误差小于20%。说明了该MPL系统能够实现对大气水平能见度的有效测量。     

MPL-A1/T型微脉冲激光雷达的研制与应用

微脉冲激光雷达(MPL)是大范围探测大气气溶胶廓线的理想工具,在简单说明原理的基础上介绍了MPL的特点与应用;针对同轴和非同轴结构的MPL,重点讨论了在研制过程中的关键技术;给出了研制的MPL-A1型和MPL-T型MPL探测大气气溶胶消光系数廓线、云层结构和实际连续观测的结果.     

含有突变信号的激光雷达能见度反演

激光雷达进行大气能见度探测时,当探测路径上存在云、雾、烟尘或硬目标时,大气消光系数会在局部发生显著变化,表现为激光雷达回波信号在原有衰减趋势上出现突变。受此影响,直接使用现有算法将导致能见度反演精度低或错误反演。为此提出一种将突变点定位、消光系数边界值确定、消光系数迭代反演相结合的能见度反演算法。首先查找、定位突变信号所在位置;然后剔除突变点,利用斜率法得到消光系数边界值;最后基于Fernald法,以迭代方式反演大气消光系数及能见度。对两种典型大气消光模式的仿真实验表明,该算法提高了能见度反演精度,能够获得更为准确的全局能见度。利用自行研制的激光雷达能见度仪实测回波数据也验证了该算法的有效性。     

毫米波雷达和激光雷达探测云边界的对比分析

为了探测云边界,采用毫米波雷达(MMCR)和微脉冲激光雷达(MPL)联合观测的方法,观测了层积云、高层云、高积云和卷积云个例,并对比分析了两部雷达探测到的云边界的差异。结果表明,通常MPL探测的云底高度高于MMCR;其中在高层云个例中,二者相差最大,其它个例中,差别较小;云粒子对毫米波电磁波和激光光束的散射机制的不同以及两个设备判定云边界方法的不同是差异产生的主要原因。对于云顶的小粒子和云内的小冰晶,MPL的探测能力强于MMCR;但对于发展深、厚的云层,MPL会因衰减的影响探测不到真实的云顶,而MMCR可以探测到完整的云层。     

基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线反演算法研究

星载Mie散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而,大气气溶胶类型多样,通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验,从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线,但这一定程度上会影响反演精度的进一步提升。鉴于此,提出了一种基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线的迭代反演优化算法。该方法首先在给定的先验气溶胶模式下获得初始消光-后向散射比（即激光雷达比）,并基于此分别反演两个通道的气溶胶消光系数和光学厚度。同时借助构建的气溶胶光学厚度与气溶胶质量柱总量之间的关系,得到两通道独立估计的大气气溶胶质量柱总量。最后以两通道大气气溶胶质量柱总量相同为约束,实现仅依赖激光雷达数据的激光雷达比及气溶胶相关光学参数的迭代优化。由于双通道激光雷达观测的限制,该方法适用于两种类型气溶胶混合下的反演,利用内蒙古包头地区的多年气溶胶背景场,对反演模型的精度和适用性进行了评估。与采用经验估算激光雷达比的Fernald方法反演结果相比,所提算法反演的气溶胶消光系数廓线在532 nm和1064 nm通道的平均精度分别提高了21.16%和3.00%。此外,还将该方法应用在CALI...     

透射式同轴微脉冲激光雷达研制

微脉冲激光雷达(MPL)是大范围探测大气气溶胶廓线的理想工具,从MPL的实际应用情况来看,目前的MPL成本造价偏高,抗环境变化能力有限.这些不足之处都与MPL采用反射式同轴结构设计有关.详细分析了反射式同轴结构存在的不足,并阐述了透射式同轴结构的微脉冲激光雷达(MPL-T)的优点,如:结构更为简单、长期稳定性更好、成本进一步降低.详细介绍了已经研制出的透射式同轴微脉冲激光雷达的特点和对比测试结果.     

Mie散射激光雷达大气回波信号经验模式分解算法的研究与应用

详细论述了经验模式分解(EMD)的激光雷达大气回波信号降噪信号处理方法.并进行系统仿真及实验验证.这种基于EMD的去噪算法适合处理含有脉冲的信号(如Block,Bump和脉冲回波信号等).通过利用该算法对米(Mie)散射激光雷达大气回波信号进行分析处理,其结果表明该去噪方法能去除大气回波中含有的噪声,能为下一级消光系数反演提供高信噪比(SNR)的初始数据.     

基于相干激光雷达气象多要素探测EI北大核心CSCD

相干激光测风雷达具有体积小、探测效率高、信噪比强等特点,在气象、航空保障以及风电等行业得到了广泛的应用,但是目前雷达数据产品大多是利用回波多普勒频移信息反演的风场数据产品,未对雷达回波信号强度信息进行数据挖掘。针对当前相干激光测风雷达数据产品开发不足的问题,介绍了一种新型基于相干探测的激光雷达数据产品生成技术,该技术在探测风场的同时,实现云高、消光系数及能见度等多种气象要素数据产品的生成。首先,通过分析回波信号特性,推导出雷达回波信号功率的计算方法,获取探测范围内各距离位置的回波信号强度信息。在此基础上,利用阈值法和微分零叉法反演出云底高度,同时采用改进型Klett算法实现大气消光系数的反演,继而实现能见度的测量。最后,与气象站能见度仪、激光云高仪以及532 nm气溶胶激光雷达进行数据对比验证试验,试验数据结果显示:云高对比精度可达5.0%,能见度对比精度可达12.2%,消光系数对比有较好的一致性,并可长期在多种气象环境下连续测量。     

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。     

MPL探测气溶胶误差的数值模拟计算研究

微脉冲激光雷达(micropu lse lidar,MPL)是一种新型的激光雷达系统。通过对其探测的大气气溶胶后向散射比和后向散射系数进行误差的数值模拟计算,分析了误差源及其不确定性,给出了误差数值模拟计算的方法。较为详细地分析和讨论了各误差源对大气气溶胶后向散射比和后向散射系数的影响,为进一步提高微脉冲激光雷达的测量精度提供了可靠的理论依据。     

微脉冲激光雷达探测信号的数值模拟计算

本文对微脉冲激光雷达探测的大气后向散射回波信号进行了数值模拟计算，计算结果得到了实验的验证，并就激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、滤光片半宽度以及接收视场等系统参数对微脉冲激光雷达探测回波信号信噪比的影响进行了较为详细的分析和讨论。     

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。     

激光雷达测量大气气溶胶光学厚度方法研究

介绍一种激光雷达常数标定和气溶胶光学厚度(AOD)测量的新方法.利用太阳辐射计,获得大气气溶胶的光学厚度,激光雷达可以获得35～40 km高度的回波信号,在这一高度区间可忽略气溶胶的存在,大气模式可以提供大气分子散射系数,根据激光雷达方程计算出激光雷达常数.反之,标定激光雷达常数后,根据激光雷达方程,以激光雷达35～40 km的大气分子后向散射回波信号来确定气溶胶的光学厚度.激光雷达测量结果与太阳辐射计的测量结果一致性较好,说明该方法是可行的.这种新方法既可以用于白天的气溶胶光学厚度测量,也可以用于夜间测量.     

闪光式焦平面激光成像雷达方程改进及仿真

推导了一个适用于闪光式焦平面激光成像雷达的雷达方程。该方程以传统的激光雷达方程为基础,使用双向反射分布函数描述目标,可以更准确地反应目标上各点的光反射情况。并且讨论了新的雷达方程与原有理论方法之间的关系。根据得到的雷达方程编写了仿真程序,对成像结果进行了仿真计算,针对难以给出解析表达式的双向反射分布函数,使用Phong光照模型进行参数化处理。通过对仿真结果的分析,认为该雷达方程能够较好地反映焦平面激光成像雷达的工作情况。     

激光雷达常数的测量研究

提出了一种新的激光雷达常数的确定方法.利用在大气气溶胶水平分布均匀的天气条件下,在无几何因子影响的区域通过激光雷达消光后向散射比和美国大气模式的数值计算得到激光雷达常数.理论上分析了误差来源,由激光雷达消光后向散射比引起最大的误差小于12.27%.最后根据测量信号计算得到本系统激光雷达常数为600668.2 sr·km3,其标准偏差小于13%.不同时刻的测量结果显示了很好的一致性,表明该方法是可行的.激光雷达常数的获取为评估激光系统以及激光雷达方程的参数反演带来的便利.     

高层薄卷云消光后向散射比的求解方法

卷云的消光后向散射比是研究卷云光学特性的一个重要参量,我们的工作就是利用米散射激光雷达探测的大气和卷云的后向散射信号来获得间断出现的高层薄卷云的消光后向散射比.在无大的天气系统过境的情况下,通过对定点观测到的雷达上空有卷云和无卷云的大气回波信号的对比求解,得出间歇性卷云的消光后向散射比,并与其他方法进行了对比分析,指明了该方法的可靠性和局限性.