[发明专利]基于激光雷达的混合层高度的自动反演算法

权利要求书

1.一种基于激光雷达的混合层高度的自动反演方法，其特征在于：首先对 激光雷达回波信号进行反演，获得气溶胶后向散射廓线图，然后设定拟合初始值， 通过比较由不同初始值而得出的不同混合层高度来确定合适初始值，并使用改进 后的梯度法，用误差函数拟合原始信号来获取混合层高度信息；方法步骤为：

(1)列出激光雷达方程，选取激光波长为905nm，对应的激光雷达方程为： P(R)＝P_tCη(R)R^-2[β_α(R)+β_m(R)]T_a²(R)T_m²(R)；

式中P(R)为激光雷达回波功率，P_t为激光发射功率，为大气探 测激光雷达系统常数，c为光速，τ为激光器脉宽，T为雷达接收系统的光学效 率，A_r是接收单元的有效孔径，β_a(R)和β_m(R)分别为高度R处大气气溶胶和 空气分子的后向散射系数；Ta(R)=exp[-∫0Rαa(R,,λ)dR,]]]>为大气探测激光雷达至 对应高度处大气气溶胶透过率，Tm(R)=exp[-∫0Rαm(R,,λ)dR,]]]>是相应的空气分子 透过率，α_a(R’，λ)和α_m(R’，λ)分别为高度R处大气气溶胶和空气分子的消光系 数，η(R)是激光雷达的几何重叠因子，所述几何重叠因子总为1；

(2)对所述激光雷达方程进行距离修正，方程两边同时乘以地面到被测气 溶胶粒子群高度的平方R²：

X(R)＝P(R)R²＝P_tCη(R)[β_α(R)+β_m(R)]T_a²(R)T_m²(R)；

(3)确定标定高度R_c、大气分子消光系数α_m(R)、气溶胶消光系数标定值 α_a(R_c)、大气分子消光后向比S₁、气溶胶消光后向比S₂；

所述标定高度R_c的确定：所述R_c为近乎不含气溶胶的清洁大气层所在对流 层顶附近的高度，根据资料选取R_c＝20km；

所述大气分子消光后向比S₁的确定：对于905nm波长的激光，选取S₁＝ 40Sr；

所述气溶胶消光后向比S₂的确定：根据瑞利散射理论得到 S₂＝α_m(R)/β_m(R)＝8π/3Sr；

所述大气分子消光系数α_m(R)的确定：先由公式βm(R)=1.54×10-3exp(-R7)(532λ)4αm(R)=βm(R)×83π]]>得出905nm波长的大气分子后向散射系数β_m(R)，再由公式 S₂＝α_m(R)/β_m(R)＝8π/3，求得大气分子消光系数α_m(R)；

所述气溶胶消光系数标定值α_a(R_c)的确定：由气溶胶散射比和波长之间的 公式R′(λ2,R)=1+(λ2λ1)4-n[R′(λ1,R)-1],]]>取n＝1，由标准值R₅₃₂＝1.01得到905nm 波长的气溶胶散射比R’₉₀₅＝1.05，再将R_c＝20km代入公式 βm(R)=1.54×10-3exp(-R7)(532λ)4αm(R)=βm(R)×83π]]>得到大气分子标定系数消光值α_m(R_C)和大 气分子后向散射系数标定值β_m(R_C)，将R′₉₀₅和β_m(R_C)带入气溶胶散射比公式 R′＝1+β_a(R_C)/β_m(R_C)求得气溶胶后向散射系数标定值β_a(R_c)，最后由公式

αa(R)=-S1S2αm(R)]]>

+X(R).exp[2(S1S2-1)∫RRcαm(R)dR]X(Rc)αa(Rc)+S1S2αm(Rc)+2∫RRcX(R)exp[2(S1S2-1)∫RRcαm(R)dR]dR]]>获得消光系数标定 值α_a(R_c)；

(4)获得气溶胶消光系数后，根据大气分子消光后向比S₁，获得气溶胶后 向散射系数β_a(R)，绘出后向散射廓线图；

(5)用误差函数拟合原始信号，得到拟合后理想曲线表 达方程B(R)=Bm+Bu2-Bm-Bu2erf(R-Hs),]]>方程中B_m是混合层后向散射系数平 均值，B_u是混合层上空后向散射系数平均值，R是高度，H是混合层平均厚度， s与夹带层的厚度有关；

(6)设从后向散射廓线图中进行观察，如有 两个明显的梯度变化，不能马上确定M₁初始值，选择第一个梯度出现的地方p1， 给p1处的M₁设定一个初始值；

(7)选择第二个梯度出现的地方p2，给p2处的M₁设定另一个初始值；

(8)比较M₁为不同初始值时取得的混合层高度，结合测量地点、该地近期 气象参数，选择符合该地区上空混合层高度的特征数值。