[发明专利]一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法

说明书

本发明公开一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法，包括步骤：输入光学特性参数，对光学特性参数进行归一化处理得到与气溶胶负载无关的光学特性参数量；建立气溶胶的微物理特性参量与多波长光学特性参数之间相关联的查找表；计算输入光学特性参数与查找表中各个个体在光学特性域的距离，并仅保留K个具有最小距离的个体作为可行解的范围；根据Monte Carlo随机采样理论，按照概率采样生成N_MC个不同的搜索执行顺序，并依次求解得到N_MC个备选解；平均N_MC个备选解，得到气溶胶微物理特性参数的最终反演结果。与现有技术相比，本发明无需额外的输入辅助判断信息，且执行效率高，可以满足激光雷达海量数据自动化处理的应用需求。

技术领域

本发明涉及激光雷达大气探测反演技术，特别是一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法。

背景技术

气溶胶-云相互作用是目前气候变化预测中最大的不确定性来源之一，其一方面是由于气溶胶-云相互作用本身是比较复杂的系统，另一方面是由于缺少气溶胶-云的有效监测数据。激光雷达因其较高的时间和空间分辨率，被广泛应用于大气气溶胶的探测研究。高光谱分辨率激光雷达和Raman激光雷达的应用，在理论上解决了普通Mie散射激光雷达探测气溶胶光学特性参数(后向散射系数和消光系数)时“一个方程两个未知数”的数学欠定问题，提高了气溶胶光学特性的探测精度。但是，气溶胶的后向散射系数和消光系数不仅与气溶胶数浓度相关，还与其类型、粒径大小等密切相关，这就使得采用气溶胶的后向散射系数和消光系数直接表征气溶胶浓度，去研究气溶胶-云的相互作用时会存在较大的不确定性。如果能够探测得到气溶胶的复折射率、有效粒径、数浓度等微物理特性参数，则能更加有效的表征气溶胶的本质属性，能够提高对气溶胶-云相互作用研究的认知，进而降低气候变化预测的不确定性。

气溶胶的后向散射系数和消光系数是由其复折射率和粒径分布参数共同决定的，不同波段的后向散射系数和消光系数对同一气溶胶表现出不同的响应，也就是说多波长的后向散射系数和消光系数蕴含了气溶胶粒子的复折射率和粒径等微物理特性信息，这就为激光雷达探测气溶胶的微物理特性提供了必要的理论基础。目前已经开发了多种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性参数的算法，但是激光雷达探测反演气溶胶微物理特性参数依旧是比较有挑战性的工作。

基于正则化、混合正则化的气溶胶微物理特性反演方法是目前比较常用的方法，在已知气溶胶复折射率和大致粒径分布范围的条件下，该方法可以较好的反演气溶胶的粒子谱分布等微物理特性。但是实际情况下，气溶胶的复折射率和粒径分布的先验知识较难获得，这就需要选择不同的复折射率和粒径分布范围组合反复求解，并比较得到的反演结果，最终选择合理的结果。这一过程不仅耗时，而且不够自动化，可能会受到数据分析专家的主观经验影响。基于最小化偏差的反演方法不仅受到查找表本身的影响较大，而且对噪声较为敏感。NASA的科学家E.Chemyakin等提出了一种基于排列、平均的气溶胶微物理特性反演方法，该方法可以自动化执行，且降低了对数据查找表本身取值的依赖，对数据噪声具有一定的抑制能力，但代价是该方法执行效率比较低，难以处理具有较多维光学特性输入的情况。

发明内容

针对现有多波长激光雷达反演气溶胶其微物理特性算法存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性参数的方法。该方法仅需要输入待反演个例的光学特性参数，无需额外的输入辅助信息，即可反演得到气溶胶的复折射率、有效粒径、数浓度、表面积浓度及体积浓度等微物理特性反演结果。该方法操作简单，运行效率高，可自动化执行，能够适用于海量激光雷达数据处理的要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于多波长激光雷达反演气溶胶微物理特性的方法，包括步骤：

S1：输入多波长激光雷达探测气溶胶后得到的光学特性参数，包括后向散射系数和消光系数，对所述光学特性参数进行归一化处理，得到与气溶胶负载无关的N个归一化光学特性参数；