一种基于新型地基激光雷达网的激光雷达比区域传输方法
阅读说明：本技术 一种基于新型地基激光雷达网的激光雷达比区域传输方法 (Laser radar ratio region transmission method based on novel foundation laser radar network ) 是由 刘�东 童奕澄 陈斯婕 肖达 张凯 方菁 于 2021-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于新型地基激光雷达网的激光雷达比区域传输方法,包括计算选定位置对应气溶胶的激光雷达比与含量；结合历史数据完成对应气溶胶的激光雷达比与含量数据筛选；建立对应气溶胶的激光雷达比与含量之间的非线性回归模型；计算选定位置周围全部太阳光度计观测的对应气溶胶含量；建立传输距离与激光雷达比相对误差两者之间的数学关系；确定激光雷达比区域传输方法的适用范围。利用本发明,先进激光雷达可实现向米散射激光雷达进行激光雷达比区域的传输,在保证激光雷达网观测数据精度的同时,还可控制系统成本。(The invention discloses a laser radar ratio regional transmission method based on a novel foundation laser radar network, which comprises the steps of calculating the laser radar ratio and the content of aerosol corresponding to a selected position; screening the laser radar ratio and content data of the corresponding aerosol by combining historical data; establishing a nonlinear regression model between the ratio and the content of the laser radar corresponding to the aerosol; calculating the content of the corresponding aerosol observed by all the sunlight meters around the selected position; establishing a mathematical relation between the transmission distance and the laser radar relative error; and determining the application range of the laser radar ratio regional transmission method. By using the invention, the advanced laser radar can realize the transmission of the laser radar ratio region to the Mi scattering laser radar, and the system cost can be controlled while the accuracy of the observation data of the laser radar network is ensured.)
技术领域
本发明属于地基大气激光雷达组网技术领域，尤其是涉及一种基于新型地基激光雷达网的激光雷达比区域传输方法。
背景技术
激光雷达具有高时空分辨率、高精度与连续监测等优点，被广泛应用于气溶胶观测。地基激光雷达组网观测对于开展多区域气溶胶参数的精确研究，以及全面掌握不同区域间的大气运动变化本质与时空分布演变规律具有重要意义。目前，国际上已经建立了多个地基激光雷达网，例如欧洲气溶胶研究激光雷达网（European Aerosol Research LidarNetwork, EARLINET）、亚洲沙尘激光雷达观测网（Asian Dust and Aerosol LidarObservation Network, AD-Net）与微脉冲激光雷达网（Micro-Pulse Lidar Network,MPLNET）等。其中，以EARLINET为代表的激光雷达网以拉曼激光雷达系统为主，该类型的激光雷达无需假设消光系数和后向散射系数之比（亦称激光雷达比）即可实现气溶胶光学特性参数的精确反演。
除此之外，高光谱分辨率激光雷达也可实现与拉曼激光雷达同样的功能，相比之下高光谱分辨率激光雷达可实现全天时的工作，而拉曼激光雷达通常只能在夜晚工作。但是，类似于高光谱分辨率激光雷达与拉曼激光雷达这一类先进的激光雷达系统结构复杂、成本较高，不易实现大规模的部署。以AD-Net与MPLNET为代表的激光雷达网主要以使用米散射激光雷达系统为主，该类型的激光雷达在反演气溶胶光学特性参数时需要假设激光雷达比，这将导致数据反演的精度较低。然而，米散射激光雷达系统结构较为简单、成本较低，易于实现大规模的部署。
综上所述，目前激光雷达组网中存在使用先进激光雷达系统布置密度较为稀疏，以及使用米散射激光雷达观测数据精度较低的问题，故亟需开发一种实现先进激光雷达向米散射激光雷达参数精度传输的技术。现有的直接参数传输技术可通过拉格朗日混合单粒子轨道（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory, HYSPLIT）模型进行追迹实现，这要求先进激光雷达观测到的气溶胶团正好移动至米散射激光雷达的上空，然而上述情况极少、局限性较大，难以满足大规模激光雷达网的观测需求。
发明内容
本发明给提供了一种基于新型地基激光雷达网的激光雷达比区域传输方法，可以在不增加额外仪器成本的前提下实现了激光雷达网观测数据精度与系统成本之间的平衡。
一种基于新型地基激光雷达网的激光雷达比区域传输方法，所述的新型地基激光雷达网包括布置在中心位置的高光谱分辨率激光雷达模块以及布置在高光谱分辨率激光雷达模块周围的多个米散射激光雷达模块；每个米散射激光雷达模块与高光谱分辨率激光雷达模块的间距不同；
所述的高光谱分辨率激光雷达模块包括在同一位置协同观测的高光谱分辨率激光雷达与对应的太阳光度计；
所述的米散射激光雷达模块包括设置在同一位置协同观测的米散射激光雷达与对应的太阳光度计；
所述的激光雷达比区域传输方法包括以下步骤：
（1）选择需要探究的区域O位置与气溶胶类型，以O位置为中心布置新型地基激光雷达网；分别计算在O位置，且同一时刻高光谱分辨率激光雷达观测的气溶胶激光雷达比与对应的太阳光度计观测的气溶胶含量；
（2）结合O位置气溶胶的历史数据，对步骤（1）所获气溶胶激光雷达比与对应气溶胶含量的数据进行筛选；
（3）数据筛选后，建立O位置气溶胶激光雷达比与对应气溶胶含量数据之间的非线性回归模型；
（4）以O位置为中心，计算其周围500km内全部太阳光度计观测的气溶胶含量；
（5）将步骤（4）中计算的气溶胶含量代入步骤（3）中的非线性回归模型，并建立多组不同太阳光度计位置之间相对距离（传输距离）与激光雷达比相对误差两者的数学关系；
（6）确定激光雷达比相对误差的上限，并结合步骤（5）的所建立的数学关系，明确激光雷达比区域传输方法适用的传输范围。
步骤（1）中，所述的同一时刻指的是气溶胶激光雷达比与气溶胶含量需选择在每日整点时刻（0, 1…22, 23时）的数据。
所述的气溶胶激光雷达比的计算过程如下：
高光谱分辨率激光雷达获得三个通道的激光雷达方程：
式中，表示系统校正后的激光雷达衰减后向散射信号，=1, 2或 3；表示气溶胶或大气分子的垂直通道后向散射系数，代表垂直； 表示气溶胶或大气分子的平行通道后向散射系数，代表平行，与分别表示气溶胶与大气分子；与分别表示探测的起始高度与终点高度；表示气溶胶或大气分子的消光系数；表示气溶胶或分子通道的透过率；
通过上述三个通道的激光雷达方程解得、、与，高光谱分辨率激光雷达观测的气溶胶激光雷达比通过下式计算获得：
。
气溶胶含量的计算过程如下：
气溶胶含量的计算采用Bahadur提出的基于太阳光度计观测参数反演公式：
式中，表示吸收气溶胶光学厚度，可从太阳光度计观测数据获得；表示波长， 为440、675或880nm； 表示参考波长，为440、675或880nm；表示基于参考波长下不同气溶胶含量的吸收气溶胶光学厚度，为黑碳、棕碳或沙尘 ；表示吸收埃指数，=1或2；
气溶胶各成分的气溶胶光学厚度由下式获得：
式中，表示黑碳、棕碳或沙尘的气溶胶光学厚度；表示黑碳、棕碳或沙尘的单次散射反照率；通过计算占总的比例，即可计算获得对应气溶胶的含量。
步骤（2）中，对气溶胶激光雷达比的筛选条件包括高度、后向散射比、气溶胶退偏比以及激光雷达比的范围；其中后向散射比与气溶胶退偏比的公式如下：
式中，与分别表示气溶胶体退偏比与大气分子退偏比；激光雷达比数值为经后向散射比、气溶胶退偏比与激光雷达比的条件筛选后，高度在0.5~4km内数据的平均值；
对气溶胶含量的筛选条件是基于O位置所探究该气溶胶含量较高的月份作为下限进行筛选。
步骤（5）的具体过程如下：
（5-1）任意挑选步骤（4）中提及的两个太阳光度计的站点，其中一个设为M站点，另一个设为N站点；通过步骤（3）中的非线性回归模型将两个站点观测气溶胶含量转换成激光雷达比；
（5-2）假设以M站点为中心，M点与N点的经纬度分别为与，计算M、N两个站点之间的相对距离，公式如下：
式中，表示地球的半径，分别选择两个站点气溶胶含量在同一个小时的数据，且该数据为每日的整点时刻数据，并以M站点的激光雷达比为真实值，N站点的激光雷达比为参考值计算激光雷达比的相对误差；上述激光雷达比相对误差与两个站点的传输距离称为一组对应点；
（5-3）重复步骤（5-2），计算任意两个站点之间激光雷达比相对误差与相对距离，获得多组对应点；
（5-4）根据步骤（5-3）计算的多组对应点建立激光雷达比相对误差与相对距离之间的数学关系。
步骤（6）中，需建立后向散射系数、消光系数与气溶胶激光雷达比的误差传递关系，公式如下：
式中，表示气溶胶激光雷达比总相对误差，表示对应量的统计标准差；令与的相对误差分别为与，则气溶胶激光雷达比的总相对误差解为；结合气溶胶激光雷达比相对误差的上限与步骤（5）中得出的数学关系，即可确定激光雷达比区域传输的方法适用传输范围。
另外，米散射激光雷达具体的数量（≥1台）可根据以高光谱分辨率激光雷达为中心，500km范围内存在的太阳光度计站点位置与数量进行布置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的新型激光雷达网，在不增加额外仪器成本的前提下实现了激光雷达网观测数据精度与系统成本之间的平衡，充分发挥了先进激光雷达与米散射激光雷达各自的优势，可推动激光雷达网在我国开展大规模的部署；
2、本发明的方法思路简单，为实现激光雷达网间参数的精度传输提供了重要的思路，具有很强的推广价值。
附图说明
图1为本发明中新型地基激光雷达网的布置示意图。
图2为本发明中激光雷达比区域传输方法的流程示意图。
图3为本发明实施例中建立的气溶胶激光雷达比与对应含量之间的非线性回归模型。
图4为本发明实施例中建立的气溶胶激光雷达比相对误差与传输距离之间的数学关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本实施例中所提及的新型地基激光雷达网，包括高光谱分辨率激光雷达模块1与多个米散射激光雷达模块2。高光谱分辨率激光雷达模块1主要包括高光分辨率激光雷达与太阳光度计的组合，米散射激光雷达模块2主要包括米散射激光雷达与太阳光度计的组合。高光谱分辨率激光雷达模块1布置在中心位置，米散射激光雷达模块2布置在周围位置，不同米散射激光雷达模块2与高光谱分辨率激光雷达模块1的距离不同。
如图2所示，一种基于新型地基激光雷达网的激光雷达比区域传输方法，包括以下步骤：
S1：本实施例选择的地点为韩国首尔的延世大学，其经纬度为（126.95 E, 37.56N）。选择高光谱分辨率激光雷达为威斯康星大学所研制的“AHSRL”。选择数据的时间段为2016.1.1~2018.12.31，且数据的时空分辨率分别为1时（每日的整点时刻，0, 1…22, 23时）与7.5m，高度范围为0~10km。AHSRL高光谱分辨率激光雷达可获得三个通道的激光雷达方程：
式中，表示系统校正后的激光雷达衰减后向散射信号，i=1, 2或 3；表示气溶胶或大气分子的垂直通道后向散射系数，代表垂直；表示气溶胶或大气分子的平行通道后向散射系数，代表平行， 与 分别表示气溶胶与大气分子； 与 分别表示探测的起始高度与终点高度； 表示气溶胶或大气分子的消光系数； 表示气溶胶或分子通道的透过率；
通过三个通道的激光雷达方程可解得、、 与，AHSRL高光谱分辨率激光雷达观测的气溶胶激光雷达比可通过下式计算获得：
。
本实施例选择AERONET站点名称为“Yonsei University”。太阳光度计型号为法国CIMEL电子公司研制的CE318。选择的时间段为2016.1.1~2018.12.31。选用的数据为AERONET第3版本的1.5级，且为每个整点时刻（0, 1…22, 23时）的平均值，该时刻与上述激光雷达比的选择时刻必须为同一个时刻。气溶胶含量的计算采用美国科学家Bahadur提出的基于太阳光度计观测参数反演公式：
式中，表示吸收气溶胶光学厚度，可从太阳光度计观测数据获得；表示波长，为440、675或880nm；表示参考波长，为440、675或880nm；表示基于参考波长下不同气溶胶含量的吸收气溶胶光学厚度，为黑碳（Black carbon,）、棕碳（Brown carbon, ）或沙尘（）；表示吸收埃指数，=1或2；本实施例中，、与取值分别为 0.55 ± 0.24、4.55 ± 2.01与2.20 ±0.50； 、与取值分别为0.85 ± 0.40 、0与1.15 ± 0.50。
气溶胶各成分的气溶胶光学厚度由下式获得：
式中，表示黑碳、棕碳或沙尘的气溶胶光学厚度；表示黑碳、棕碳或沙尘的单次散射反照率，其在本实施例中的取值分别为0.480、0.772与 0.870。
通过计算占总 的比例，即可计算获得对应气溶胶的含量。
S2：本实施例选择沙尘气溶胶，对沙尘激光雷达比筛选条件包括高度、后向散射比、气溶胶退偏比以及激光雷达比的范围。其中后向散射比与气溶胶退偏比的公式如下：
式中，与分别表示气溶胶体退偏比与大气分子退偏比。其中通过高光谱分辨率激光雷达三个通道的雷达方程即可解得，本实施例中 取值为0.0143。筛选条件如下：高度0.5~4km；后向散射比：1.2~10；气溶胶退偏比：0.15~0.3；激光雷达比：30~90Sr。激光雷达比数值为经过后向散射比、气溶胶退偏比与激光雷达比的条件筛选后，高度在0.5~4km内数据的平均值。
计算延世大学在2016.1.1~2018.12.31时间段每年3、4月份沙尘含量平均值，本实施例计算结果为21.6%。为了方便起见，本实施例对沙尘含量的筛选条件要求大于20%。
经过筛选，本实施例共获得沙尘激光雷达比与沙尘含量的数值400组。
S3：如图3所示，建立O位置沙尘激光雷达比与对应含量经筛选后共400组数据之间的非线性回归模型。本实施例采用二次多项式拟合的方法，拟合的决定系数为0.78，具有强相关性。
S4：考虑到数据量的问题，本实例选择马里兰科学中心（76.61 W, 39.28 N）、德国美因茨（8.30 E, 50.00 N）、法国卡尔庞特拉（5.06 E , 44.08 N）、中国太湖（120.22 E ,31.42 N）、中国北京（116.38 E , 39.98 N），以及韩国延世大学（126.95 E, 37.56 N）共六个站点为中心，数据选择时间范围均为2001.1.1~2021.3.31，并计算各个中心站点周围500km内全部太阳光度计在每个整点时刻（0, 1…22, 23时）观测沙尘气溶胶的含量。本实施例中，一共选择63个太阳光度计站点。另外，如步骤S2中所述，本实施例对步骤S4中沙尘含量的筛选条件同样要求大于20%。
S5：本实施例在本步骤具体实施过程如下：
S5-1：任意挑选步骤S4中提及的两个太阳光度站点，其中一个设为M站点，另一个设为N站点。通过步骤S3中的非线性回归模型将两个站点观测沙尘含量转换成激光雷达比；
S5-2：假设以M站点为中心，M点与N点的经纬度分别为与，计算M、N两个站点之间的相对距离，公式如下：
式中， 表示地球的半径。分别选择两个站点气溶胶含量的在同一个小时（每日的整点时刻，0 ,1…22 ,23时）的数据，并以M站点的激光雷达比为真实值 ，N站点的激光雷达比为参考值计算激光雷达比的相对误差。上述激光雷达比相对误差与两个站点的相对距离可称为一组对应点；
S5-3：重复步骤S5-2，计算任意两个站点之间激光雷达比相对误差与相对距离，以此获得1953组对应点；
S5-4：本实施例要求每组对应点中计算平均激光雷达比相对误差总数需大于50个，且两个站点之间距离需小于500km。经筛选后，共得78组有效的对应点数据。如图4所示，建立激光雷达比相对误差与相对距离之间的数学关系。
S6：后向散射系数、消光系数与气溶胶激光雷达比的误差传递公式如下：
式中，表示气溶胶激光雷达比总相对误差， 表示对应量的统计标准差；令与 的相对误差分别为与，则气溶胶激光雷达比的总相对误差解为。俄罗斯科学家Igor等人认为用于反演气溶胶反演微物理特性时，后向散射系数与消光系数时可接受的最大相对误差均为20%。因此，本实施例取= =20%，计算可得激光雷达比最大的相对误差为28.3%。结合图4，可确定激光雷达比区域传输的方法适用距离范围为0~128km。在该范围内使用本发明提出的方法，可使得米散射激光雷达反演消光系数的误差在20%以内。米散射激光雷达具体的数量（≥1台）可根据以高光谱分辨率激光雷达为中心，500km范围内存在的太阳光度计站点位置与数量进行布置。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
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