[发明专利]一种星载激光雷达的可穿透层层底迭代检测方法

说明书

技术领域

本发明属于激光雷达系统在气象领域应用中的算法研究，特别涉及一种星载激光雷达的可穿透层层底迭代检测方法。

背景技术

气溶胶是由分散并悬浮在气体中的固液体小质点所形成的胶体分散体系，是大气成分的重要组成部分，是影响大气环境的主要不确定因素之一。除吸收和散射太阳光外，大气边界层中的气溶胶可以直接或通过影响平流层中臭氧的形成来改变空气质量。气溶胶对于全球辐射影响的不确定性因素主要与气溶胶的空间分布变化以及气溶胶的光学和微物理特性有关，而光学和微物理特性与气溶胶的生命周期和气溶胶类型有关。要减少这些不确定因素的影响，需要对全球气溶胶进行高分辨率水平和垂直的持续观测。

当前气溶胶的观测手段主要包括地基观测和空基观测。在众多地基观测系统中，由美国NASA和法国LOA-PHOTONS(CNRS)建立的全球气溶胶观测网络(AERONET)是典型的气溶胶地基观测系统，该网络现已经覆盖了全球主要区域，利用CIMEL自动太阳光度计(SPAM)作为基本观测仪器，大部分站实现了每天的数据采集。但是AERONET基站覆盖范围小，而且在非美洲地区的覆盖密度低，难以实现对目标区域的有效监测。空基观测又分为机载观测和星载观测。机载观测方法对于气溶胶研究是可行的，但是观测成本高，缺少对气溶胶全球大范围的持续观测和时空覆盖。星载观测系统则可以实现对气溶胶全球范围内高时空分辨率的持续观测。自20世纪70年代以来，针对星载观测系统的气溶胶反演研究从未停止。被动遥感技术虽然实现了对气溶胶的连续时空检测，但是不能提供气溶胶的垂直特性，而星载激光雷达技术则有效的弥补了这一不足。

美国是星载激光雷达的先行者，曾在1994年进行了激光雷达空间技术试验(Lidar In-space Technology Experiments,LITE)，证明了空间激光雷达在研究气溶胶和云方面的潜力。1998年,美国NASA与法国国家航天中心(CNES)合作开始实施“云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测”(Cloud-Aerosols Lidar andInfrared Pathfinder Satellite Observations,CALIPSO)计划，于2006年成功发射CALIPSO卫星，而正交偏振云-气溶胶激光雷达(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization,CALIOP)则是CALIPSO卫星的主要有效载荷之一，CALIOP具备识别气溶胶、沙尘、烟尘以及卷云的能力，它成为世界上首个应用型的星载云和气溶胶激光雷达，其观测能力优异。CALIOP总共有三个接收通道两个波段，即1064nm通道、532nm垂直通道和532nm平行通道。CALIOP所探测到的数据包括532nm波段总的后向衰减散射数据和532nm垂直偏振后向衰减散射数据以及1064nm后向衰减散射数据。当前CALIOP提供Level 1B、Level 2和Level3三级产品。

相比于其他传感器，CALIOP激光雷达的优势在于可以获取大气的垂直剖面信息，Level 2气溶胶层数据可以提供大气气溶胶的层顶和层底高度信息，其廓线扫描采用的是532nm波段后向衰减散射比数据，层顶探测采用阈值法，精度较高，层底评估采用斜率法，精度有待进一步改进。云和气溶胶层次边界高精度探测与自动反演对于提升星载激光雷达的全球大气探测能力和应用潜力具有重要意义。

目前基于星载激光雷达的气溶胶层次检测方法主要包括微分零交叉法，小波模极大值法、简单多尺度法和阈值法等算法。其中：

微分零交叉法的基本原理是通过计算雷达回波信号与观测距离的微分零点，结合回波信号的波形特征从而识别层顶和层底，该算法数理机制明确，然而微分零交叉法对激光雷达回波信号的信噪比要求较高。

小波模极大值法以小波变换理论为核心，通过寻找小波变换系数模的局部极大值点以识别信号边缘，从而确定气溶胶层次变化的数据边界，然后现实情况下，层次探测过程受误差影响，小波模极大值处所对应的数据点并不是严格的边界层。

简单多尺度模型是一种基于自定义指数函数的层次检测与分类算法，该算法基于给定的阈值约束，结合“变动窗”实现特征区云层和气溶胶的分类与定位，该算法原理相对简单，顶层探测效果优于层底探测的结果。