[发明专利]基于激光雷达的混合层高度的自动反演算法

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是一种基于激光雷达的混合层高度的自动反演算法 

背景技术

大气混合层是对流层下部直接受地面强烈影响的一层大气。因为受非均匀下垫面的影响，不仅会对辐射收支、气象场等产生影响，而且对污染物的沉降、输送及排出等都有重要作用，如对空气污染物的分布具有支配性作用。同时，由于人类的生命活动几乎都发生在这一层内，对它的研究与天气预报、气候预测、大气物理研究、工农业生产、环境保护和航空安全等密切相关。混合层高度是评价空气质量受城市污染源、长距离输送或沉降影响的关键参数，也是检验空气污染数值模拟效果的重要参数，如何方便有效地确定混合层高度并准确监测其变化过程，对空气污染物的扩散、传输模式以及污染物预报模式都具有十分重要的意义。目前还没有直接测量混合层高度的方法，比较常用的技术有无线电探空，远程探测和参数化法。在最新的远程探测法中，利用云高仪的气溶胶后向散射廓线图推断混合层高度是一种理想的方法。确定混合层的高度有多种，如目测法、阈值法和梯度法。目测法分析有较强的主观性，视觉误差不可避免，只可以用来大致估计混合层和夹带层。阈值法是以后向散射信号低于一个预先设定的阈值作为判断基准，或者以后向散射信号超过清洁大气信号一定值为判断基准，但由于回波信号起伏很大，因此采用的廓线图一般都是经过平均处理的，这就有可能丢失一些瞬时的有用信息。梯度法的理论基础是混合层相对不变的浓度一般高于混合层之上大气的浓度，因此混合层到混合层之上就会看到一个变化，从混合层内相对较强的散射变为混合层上较小的散射。梯度方法就是通过选择后散射系数的负梯度最大值(即-dβ/dR)的地方作为混合层顶。但是因为有限差分导致噪声被放大，在实际过程中很难区分何时出现后向散射系数的最大值，为解决这一问题，通常选择时间或空间的一段连续区域进行平均，并对平均后的廓线图进行垂直平滑处理，但即使进行时空平均处理后，该方法仍有可能会把混合层之上的散射层或混合层之下的一些卷云当作混合层。 

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光雷达的混合层高度的自动反演算法，以解决传统方法的鉴别力不高，误差大，不能较好地识别出所需信息，需要平滑处理的问题。 

为了到达上述目的，本发明所采用的技术方案为： 

1、一种基于激光雷达的混合层高度的自动反演算法，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；所述算法步骤为： 

(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)；