[发明专利]一种基于半导体激光云高仪的云高自动反演方法

说明书

技术领域

本发明涉及云高测量领域，具体为一种基于半导体激光云高仪的云高自动反演方法。

背景技术

云是悬浮在大气中的小水滴、过冷水滴、冰晶或它们的混合物组成的可见聚合物；有时也包含一些较大的雨滴、冰晶和雪晶，其底部不接触地面。云的生成、外形特征、云量、云的分布及其演变不仅反映了当时大气的运动、稳定程度和水汽状况，同时预示着未来天气变化。云层厚度对温室效应有着重要影响，云层的性质和天气特征分析对人工增雨抗旱减灾有着重要指导意义，云层信息尤其云高参数是影响飞机起飞、着陆、飞行安全的重要气象要素之一。如何方便有效地准确确定云层高度并监测其变化过程，对天气系统发展、降雨形成和大气辐射传输模式研究具有十分重要意义。

目前对云高的测量主要是依赖于目测，要比较准确的判断、辨别各种云的高度，需要掌握云的外形特征、了解云的物理过程，对观测人员业务知识要求高，并且人为误差较大。激光云高仪采用激光原理和微弱信号检测技术有效提取云和大气的后向散射信号，能够实时提取云高的信息，具有智能、便携、实时和动态范围大等优点。基于半导体激光云高仪的反演主要有微分零交叉法、阈值法。微分零交叉法对大气和云的后向散射信号微分，寻找微分信号零点位置，零点位置对应云峰的高度，但是，在复杂的大气环境下气溶胶的干扰将会产生很多过零点，并且白噪声的抖动也会引入额外的过零点，这势必对过零点的有效提取造成很大的影响；阈值法是首先选择一个适当的阈值，以超过设定阈值作为判断基准，阈值的选取基于经验的方法，而实际的大气是剧烈变化的，白天和夜晚的噪声干扰差别明显，因此，基于经验值的阈值法很难适应于复杂的大气环境，白噪声和气溶胶有时也会产生超过设定阈值的奇异值，阈值法没有对奇异值作进一步的处理和筛选，这也将在云高的反演中带入一定的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于半导体激光云高仪的云高自动反演方法，以解决传统方法中云高观测人为误差较大，受气溶胶和白噪声干扰大，鉴别能力不高，自适应性不强等问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于半导体激光云高仪的云高自动反演方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)半导体激光云高仪接收1064nm后向散射回波信号；

(2)由1064nm后向散射回波信号特征获取分段高度；

(3)对采集到的1064nm后向散射回波信号进行距离平方修正，并将距离平方修正后的信号取名为PRR信号，分别对1064nm后向散射回波信号和PRR信号进行归一化处理；

(4)根据分段信号分布特征获取滑动窗口积分阈值以及云顶、云底、云峰、云厚度和云幅度变化阈值；

(5)采用滑动窗口积分的方法，从地面开始向上逐一滑动窗口，在窗口内对分段信号进行累加平均，当信号累加平均值大于等于滑动窗口积分阈值时，初步筛选出云层分布的大致位置；

(6)由分段信号分布特征确定云底、云峰、云顶的精确高度；

(7)利用云厚度阈值、云峰阈值、云幅度变化阈值对云层进行进一步的筛选，当经过(6)步骤确定的云厚、云变化幅度、云峰的幅度其中两项同时大于等于对应的阈值时，即筛选过后的云高分布信息。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明通过选取背景信号计算出标准偏差，以此为基准对1064nm后向散射回波信号斜率进行自动化判别，有效识别分段高度，并利用分段高度对1064nm后向散射回波信号和PRR信号分段处理，有利于阈值的获取和设定。

(2)本发明可以在复杂的大气环境条件下，有效减小气溶胶和白噪声在云高分布测量中的干扰，自适应地确定云高识别阈值，高准确性地提取云高分布信息。

(3)本发明计算便于程序化，可以长时间在线高时间分辨率和高空间分辨率的对云高分布进行主动遥感测量，这是传统仪器所无法实现的。

附图说明

图1为本发明方法实现的流程图；

图2为1064nm后向散射回波信号和PRR信号；

图3为基于云高自动反演方法的云高仪云高自动监测软件；

图4黑点代表了云层时空分布演化图。

具体实施方式

根据本发明中提出的一种基于半导体激光云高仪的云高自动反演方法，以某次实验数据为例进行分析，所述方法步骤为：

(1)半导体激光云高仪接收1064nm后向散射回波信号，激光云高仪的1064nm后向散射回波信号可表示为：