[发明专利]基于双向重构后向散射信号的激光雷达云层检测方法

说明书

本发明公开了一种基于双向重构后向散射信号的激光雷达云层检测算法，包括：对激光雷达后向散射信号的预处理；根据理想洁净大气条件下的后向散射信号特征筛选相应的前向插值点，利用Akima插值法得到前向重构信号，结合自适应阈值和经验阈值进行云的分层、误判的排除和云层区间的确定；在此基础上进一步筛选出后向插值点并利用Akima插值得到后向重构信号，通过与前向重构信号取平均得到重构的无云信号；以云峰处为界将区间分为2段，在段内分别选取预处理信号中强度小于模拟信号的若干个元素，根据元素个数确定云底或云顶高度。本发明对云层进行更准确的划分，实现了更高的云层检出率和反演准确率。

技术领域

本发明涉及激光雷达云层检测方法，尤其涉及一种基于双向重构后向散射信号的激光雷达云层检测方法。

背景技术

云是大气中的水汽经物理反应生成的漂浮在大气中的聚合物，它覆盖地球表面约三分之二的地区，是地球上庞大水循环的有形结果。由于本身的物理特性，云成为地球-大气系统中维持能量平衡最重要的调节器，也作为影响气候变化的最大不确定性因素之一。因此，云的观测在本地和全球气候研究以及人类生产生活中发挥着重要作用，具有战略性的价值。

激光雷达作为一种具有高时间和高空间分辨率的地基主动遥感设备，主要用于确定云层高度等信息。利用激光雷达自动反演云层参数的算法近年来一直紧密贴合大气科学的发展以适应科学应用研究的需求。目前依据单通道后向散射信号的云层检测算法大致可分为微分法、统计学算法和滑动窗口法等，但是此类方法将云层从信号中提取出来时需要经验阈值直接判断云层，受系统参数和主观性影响较大，并且对云顶高度的反演容易出现有效云顶而非真实云顶的情况。

上述问题的存在，严重制约着激光雷达测量云层垂直结构的精度。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够实现云层垂直结构的精确反演的，基于双向重构后向散射信号的激光雷达云层检测方法。

技术方案：本发明的激光雷达云层检测方法，包括以下步骤：

S1，对激光雷达的后向散射信号进行预处理得到新的后向散射信号B_LN；

S2，从探测距离最低处开始，筛选出预处理后的后向散射信号B_LN中单调下降的元素，组成序列B₁；根据序列B₁中的元素对应的高度，按照间隔连续性分成若干个特征段T(k)，其中k＝1,2,3...，特征段T(k)的左端点定义为左特征点右端点定义为右特征点将序列B₁作为前向插值点进行Akima插值，得到前向重构信号B_A1；

S3，将新的后向散射信号B_LN与前向重构信号B_A1作差，得到残差信号R₁；利用自适应阈值T_h确定云层数，利用步骤S2中的左右特征点确定每层云的云峰区间，其中，j＝1,2,3...；

S4，利用经验阈值排除误判和合并云层；

S5，在云峰区间的基础上确定云层区间，云层区间的左端点与右端点分别记为和

S6，从探测距离最高处开始，筛选出预处理后的后向散射信号B_LN中单调上升的元素，组成序列B₂；将序列B₂作为后向插值点进行Akima插值，得到后向重构信号B_A2；

S7，将前向重构信号B_A1与后向重构信号B_A2平均，得到重构的模拟无云信号B_A；对比无云信号B_A与新的后向散射信号B_LN在云层区间内各位置的信号强度，进行云底和云顶高度的确定。

进一步，所述步骤S1中，对后向散射信号的预处理的表达式如下：