[发明专利]一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法及测量系统。

背景技术

激光雷达是一种主动遥感的探测工具，目前已广泛应用于大气气溶胶研究、大气光学研究、大气环境监测、全球气候预测等领域。米散射激光雷达用于测量边界层气溶胶分布情况。将激光雷达系统连接计算机后，根据计算机软件输出的数据，得到气溶胶垂直分布廓线；根据Fernald、Klett、斜率法等方法，反演大气气溶胶消光系数、后向散射系数等光学特性数值利用激光雷达进行大气探测，雷达系统本身的限制会给测量结果造成无法避免的系统误差。系统误差可以通过分析激光雷达系统的工作特性订正，如激光雷达的几何重叠因子，当激光雷达激光的发散角与望远镜的接收视场角部分重合时，发射激光仅有一部分被有效利用，由这种视场角部分重叠的几何关系确定的用于订正的物理量称为激光雷达的几何重叠因子。

激光雷达的发射系统与接收系统的轴线相互平行或重合，称为平行轴系统或共轴系统。米散射激光雷达发射系统的激光束有一定的发散角。原则上，当望远镜接收视场角略大于激光束发散角时，回波信号可以完全进入视场角。但是在距离地面约1000m高度内，激光的发散角与望远镜的视场角部分重合，发射激光仅仅部分被有效接收，由这种部分重叠的几何关系确定的因子称为激光雷达的几何重叠因子。如图1所示，近地面发射系统14和接收系统15的视场无重叠部分；随着高度升高，重叠部分增多，几何重叠因子逐渐增大；到达某一高度，激光发散区域完全落入望远镜视场角内，几何重叠因子为1；此临界高度以上的探测数据没有由几何重叠因子造成的误差。几何重叠因子是大于等0、小于或等于1的无量纲数，反映了发射激光的利用效率，它造成近地面测量的回波功率小于实际大气的回波功率，导致测量结果的误差，因而必须对激光雷达进行几何重叠因子的修正。

几何重叠因子的计算，主要依靠实验的方法，包括水平发射法、均匀大气垂直测量法、其他通道协助测量法。水平探测法在大气分布均匀的晴朗夜空进行，要求激光雷达系统的发射系统水平发射。对于望远镜固定的激光雷达系统或是无法移动的大型激光雷达系统，水平探测无法实现，因此采用水平探测法直接求得大激光雷达几何重叠因子的方法不可用。均匀大气垂直测量法对发射方向要求较低，一般激光雷达均可进行垂直发射，假设不同高度处大气气溶胶光学参数相同，计算方法类似于水平方法。此实验方法必须选择大风、晴朗、干燥的天气，大气边界层的气溶胶垂直分布十分均匀时进行，条件严苛。满足天气条件后测量出的几何重叠因子还是有很大的误差，即使大气分子运动速度十分快，还是会因为重力作用使大气上下分布密度不均，因此大气气溶胶浓度垂直分布也不完全均匀。该方法假设大气垂直方向均匀，但往往与事实相悖。其他通道协助的方法，是指负责的激光雷达系统包含拉曼通道，可以使用拉曼通道，得到几何重叠因子。该方法要求系统内有其他通道可以比较、借鉴。但一般激光雷达并不具有这些通道。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的上述缺陷，提供一种能有效提高中、大型激光雷达几何重叠因子的测量准确性的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量方法，包括以下步骤：

(1)测定微型激光雷达的几何重叠因子；

(2)运用对比法，由微型激光雷达的几何重叠因子估算待测中大型激光雷达的几何重叠因子。

其中，步骤(1)中微型激光雷达的几何重叠因子采用水平探测法进行测定。

步骤(2)中具体估算方法为：

a、将待测中大型激光雷达与微型激光雷达在相同条件下垂直探测，分别得到待测雷达回波功率曲线和微型雷达回波功率曲线；利用步骤(1)中测得的几何重叠因子修正微型雷达回波功率曲线，得到实际回波功率曲线；

b、在待测中大型激光雷达的几何重叠因子修正待测雷达回波功率曲线后所得待测雷达修正回波功率曲线与实际大气功率曲线十分接近的假设条件下，限定待测中大型激光雷达几何重叠因子的范围，运用二分法，使得待测雷达修正回波功率曲线反演所得消光系数与实际回波功率曲线反演所得消光系数接近，从而求解待测中大型激光雷达的几何重叠因子。