[发明专利]大气颗粒物监测激光雷达沙尘消光系数贡献率自动分析法

说明书

本发明提供大气颗粒物监测激光雷达沙尘消光系数贡献率自动分析法，包括以下步骤：采集后向散射通道和偏振通道获取原始回波信号；对原始回波信号进行信号预处理增加有效计算距离，获得修正后两通道距离矫正信号；引入季节常数和修正常数校准由季节特性引起的贡献率占比误差，获得校准后的沙尘贡献率；通过数据分析初步获取当地沙尘退偏比和细粒子气溶胶退偏比，经由趋势数据拟合矫正趋势一致性，通过定量测量校准实现沙尘贡献率。本发明通过对两通道的信号的预处理可以实现计算范围的增加，通过统计参数的引入，通过当地监测的PM2.5和PM10实时数据拟合，实现激光雷达信号到沙尘贡献率的实时计算，沙尘贡献率准确度高、探测范围大。

技术领域

本发明主要涉及领域，尤其涉及大气颗粒物监测激光雷达沙尘消光系数贡献率自动分析法。

背景技术

沙尘是重要的大气气溶胶之一，不仅会对交通运输、气象气候、工农业生产造成直接危害，还影响了大气环境质量，危害人体健康。另外，在传输过程中，沙尘气溶胶会使得传输路径地区的污染增加，且能够其他污染物混合产生雾、霾等，使得大气光学厚度显著增加，对大气环境造成严重影响。

近年来，相关研究者主要利用卫星遥感观测研究沙尘气溶胶的区域分布，在气溶胶单点垂直廓线方面，可以通过AVHRR、TOMS、MODIS和MIRS等卫星传感器进行相关研究。国内黄建平等采用CALIPSO资料研究了太平洋沙尘实验期间亚洲沙尘的长距离输送和垂直结构。郑有飞等采用CALIPSO卫星资料分析了中国北部一次沙尘过程中沙尘气溶胶的时空分布及输送特性。但基于卫星的遥感观测容易由于受到云层等影响，并不能非常准确地将近地面过程真实呈现。基于地基雷达的垂直观测逐渐成为一种可靠的单点观测方式。

地基颗粒物激光雷达(light detection and ranging，lidar)是一种主动式遥感仪器，通过发射激光探测大气颗粒物。由于激光雷达具有高分辨率、高精度等特点，在大气科学、气象科学等领域得到广泛应用并不断发展。偏振型颗粒物激光雷达是一类可探测沙尘的雷达，其所探测得到的退偏振比是用于判别沙尘的关键参数，为沙尘天气的监测与研究提供了便利。

一般情况下，理想的球形粒子对电磁波不会激发偏振，但大气中的气溶胶粒子一般都会在后向散射方向上产生偏振。偏振激光雷达就可以探测大气气溶胶的偏振状态，一般用退偏比来描述。激光雷达观测的后向散射线性退偏比表征气溶胶形状偏离球形的程度，退偏振比为0时，表示气溶胶为理想的球形粒子，相同条件下越偏离球形的气溶胶退偏比越大。沙尘是一类典型的非球形粒子，其主要由非球形的粗模态矿物粉尘组成，可以通过雷达测量的退偏振比来对沙尘气溶胶进行甄别和区分，以进一步为沙尘的定性、定量研究提供科学依据。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供大气颗粒物监测激光雷达沙尘消光系数贡献率自动分析法，包括以下步骤：

第一步：采集后向散射通道和偏振通道获取原始回波信号；

第二步：对原始回波信号进行信号预处理增加有效计算距离，获得修正后两通道距离矫正信号；

第三步：引入季节常数和修正常数校准由季节特性引起的贡献率占比误差，获得校准后的沙尘贡献率；

第四步：通过数据分析初步获取当地沙尘退偏比和细粒子气溶胶退偏比，经由趋势数据拟合矫正趋势一致性，最终通过定量测量校准实现沙尘贡献率。

优选的，在第二步中的信号预处理通过代价函数计算后向散射通道和偏振通道的距离平方校正信号的线性范围，对范围内的信号利用最小二乘法进行线性拟合，获取矫正后的距离平方校正信号。

优选的，在第三步中，具体的校准步骤为：

S1：将经过第二步的两通道矫正后的距离平方校正信号相除，获取实时偏振探测廓线；

S2：通过引入统计分析获取探测地不同种类气溶胶粒子平均退偏比和季节因素引起的矫正系数，计算当地实时沙尘贡献率。