激光雷達(dá)觀測(cè)斜程能見(jiàn)度反演方法

田飛;羅佳;胡大平;葉一東【摘要】目前基于激光雷達(dá)測(cè)量能見(jiàn)度的反演算法可以較為準(zhǔn)確地反演均勻大氣條件下的水平能見(jiàn)度，對(duì)云雨霧等非均勻大氣條件下斜程能見(jiàn)度的準(zhǔn)確反演較為困難.為了準(zhǔn)確探測(cè)復(fù)雜大氣條件下的斜程能見(jiàn)度，分析了激光雷達(dá)探測(cè)大氣能見(jiàn)度的反演算法,重點(diǎn)針對(duì)非均勻大氣條件下能見(jiàn)度難以準(zhǔn)確反演的問(wèn)題，提出了一種將Collis斜率法與Klett后向法相結(jié)合的能見(jiàn)度反演迭代算法，適用于不同天氣條件下不同傾角路徑平均能見(jiàn)度的反演.利用車(chē)載式激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)能見(jiàn)度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，實(shí)驗(yàn)表明:在均勻大氣條件下，該迭代算法與廣泛使用的Collis斜率法和Klett后向法完全吻合；對(duì)于非均勻大氣條件，該迭代算法也可克服Collis斜率法和Klett后向法的局限，更為快速穩(wěn)定準(zhǔn)確地反演出需要的大氣能見(jiàn)度信息.％Presentinversionmethodforatmosphericvisibilitybasedonlidartechniqueisonlyabletoinversehorizontalvisibilityaccurately.Manydisadvantagesexistforslantvisibilityinversioninconditionofinhomogeneousatmospheresuchasrainy,cloudyandfoggy.Inordertomeasureslantvisibilityaccurately,theprinciplesofatmosphericvisibilitymeasurementwithlidarwasinvestigated,andexperimentsforvisibilitymeasurementwithmobilelidarwereconducted,especiallyanewiterationalgorithmusedforvisibilityinversionwasposed.Thealgorithmisacombinationofthewell-knownCollisslopemethodandKlettbackwardmethod,anditisabletoretrievethevalueofatmosphericvisibilityindifferentweathercondition.ThecomparisonexperimentresultsshowthatthisiterationalgorithmagreeswithCollisslopemethodandKlettbackwardmethodcompletelyinconditionofhomogeneousatmosphere.Forinhomogeneousatmosphere,thisiterationalgorithmcanmakeuptheshortagesofCollisslopemethodandKlettbackwardmethodandretrievethevalueofatmosphericvisibilityquickly,stablyandaccurately.【期刊名稱(chēng)】《激光與紅外》【年(卷)，期】2012(042)011【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P1239-1243)【關(guān)鍵詞】激光雷達(dá);斜程能見(jiàn)度;消光系數(shù);氣溶膠;迭代算法【作者】田飛;羅佳湖大平;葉一東【作者單位】中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川綿陽(yáng)621900;中國(guó)工程物理研究院研究生部，北京100088;中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所,四川綿陽(yáng)621900;四川中物科技集團(tuán)有限公司，四川綿陽(yáng)621900;中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川綿陽(yáng)621900【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TN958.981引言能見(jiàn)度的好壞直接影響人們的工作生活、水陸空交通運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、天文觀測(cè)以及空間遙感遙測(cè)等，快速準(zhǔn)確地探測(cè)不同天氣條件下不同傾角路徑的能見(jiàn)度具有十分重要的意義。目前基于激光雷達(dá)的能見(jiàn)度反演算法能較為準(zhǔn)確地反演均勻大氣條件下的水平能見(jiàn)度［1-3］，對(duì)非均勻大氣條件下斜程能見(jiàn)度的準(zhǔn)確反演較為困難，但這些條件下能見(jiàn)度的準(zhǔn)確探測(cè)具有很大的實(shí)際需求，如飛機(jī)起降路徑能見(jiàn)度的觀測(cè)、云雨霧天能見(jiàn)度的測(cè)量等。因此，本文重點(diǎn)針對(duì)非均勻大氣條件下能見(jiàn)度難以準(zhǔn)確反演的問(wèn)題，提出了一種將Collis斜率法與Klett后向法相結(jié)合的能見(jiàn)度反演迭代算法，可快速穩(wěn)定準(zhǔn)確地反演出不同天氣條件下不同傾角路徑的平均能見(jiàn)度，并利用激光雷達(dá)的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)該算法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。2基于激光雷達(dá)原理的能見(jiàn)度反演方法根據(jù)激光雷達(dá)基本原理，單次米散射雷達(dá)接收到探測(cè)距離R處的回波信號(hào)功率可表示為[4-5]:式中，P(R)為激光雷達(dá)接收到距離R處的回波信號(hào)功率；P0為激光脈沖平均功率;C為雷達(dá)常數(shù);B(R)為大氣后向散射系數(shù);。(R')為大氣消光系數(shù)。求解上述米散射激光雷達(dá)方程，進(jìn)一步求出測(cè)量路徑上的大氣消光系數(shù)。，即可反演出大氣能見(jiàn)度V:式中，入為測(cè)量波長(zhǎng)，單位為nm;q一般由以下經(jīng)驗(yàn)公式給出[6]:值得注意的是，當(dāng)大氣不均勻時(shí)，消光系數(shù)在測(cè)量路徑上不均勻，計(jì)算能見(jiàn)度時(shí)應(yīng)代入消光系數(shù)在測(cè)量路徑上各點(diǎn)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，所求能見(jiàn)度為測(cè)量路徑上的平均能見(jiàn)度。常用的能見(jiàn)度反演方法主要有以下兩種：2.1Collis斜率法Collis斜率法假設(shè)大氣分布均勻，則方程(1)可寫(xiě)為[7-8]:令S(R)=In[R2P(R)],上式兩邊取對(duì)數(shù)并對(duì)距離R求導(dǎo)，可得:在大氣均勻分布的情況下，d&/dR=0，從而可求得大氣消光系數(shù):此方法可較為準(zhǔn)確地反演出均勻大氣條件下的能見(jiàn)度，且簡(jiǎn)單易行，從而得到了廣泛的應(yīng)用。但該方法存在嚴(yán)重缺陷，對(duì)非均勻大氣條件下能見(jiàn)度的反演存在較大誤差，不能滿(mǎn)足實(shí)際需求。2.2Klett后向法Klett方法首先假設(shè)大氣消光系數(shù)。和后向散射系數(shù)P之間存在如下關(guān)系[9-12]:式中，C0為常數(shù)，與反演結(jié)果無(wú)關(guān);k的取值范圍一般為0.67~1[9]，與激光雷達(dá)的測(cè)量波長(zhǎng)和氣溶膠的性質(zhì)有關(guān)。如果再假定k為常數(shù)，將假設(shè)式(7)代入米散射激光雷達(dá)方程(1)求解，可得到R<Rm處大氣消光系數(shù)的穩(wěn)定解：式中，Rm為參考距離，一般選取最大的有效探測(cè)距離，Sm=S(Rm),om=o(Rm)。Klett提出可以用Collis斜率法對(duì)am進(jìn)行估算：該反演方法對(duì)Collis斜率法進(jìn)行了改進(jìn)，成功克服了均勻大氣條件的限制，但消光系數(shù)的反演結(jié)果依賴(lài)于am的初值，初值偏小則反演的消光系數(shù)偏小，初值偏大則反演的消光系數(shù)會(huì)偏大，準(zhǔn)確地給出am的初值是該反演方法的難點(diǎn)，目前尚無(wú)有效的方法能準(zhǔn)確地給出實(shí)際測(cè)量條件下am的初值。3穩(wěn)定的能見(jiàn)度反演迭代算法為了快速準(zhǔn)確穩(wěn)定地反演出復(fù)雜天氣條件下不同傾角路徑的平均能見(jiàn)度，本文在Collis和Klett的工作基礎(chǔ)之上，提出了一種穩(wěn)定的能見(jiàn)度反演迭代算法，計(jì)算流程如圖1所示。圖1迭代算法流程圖Fig.1flowchartoftheiterationalgorithm讀入原始雷達(dá)回波信號(hào)P(R)，據(jù)雷達(dá)幾何重疊因子修正原始數(shù)據(jù)，去除本底(無(wú)激光回波時(shí)信號(hào)平均值作為背景噪聲)，確定有效數(shù)據(jù)起點(diǎn)Rs，給定閾值信噪比計(jì)算閾值信號(hào)，確定最大反演距離Rm;用Collis斜率法處理距離Rs至Rm修正后的回波信號(hào)，初步估算測(cè)量路徑上的平均消光系數(shù)。，將估算的。賦值給。m,并根據(jù)。估算能見(jiàn)度確定常數(shù)k的取值；將k的取值和om的初值代入公式(8),計(jì)算各點(diǎn)的消光系數(shù)，再求得有效測(cè)量路徑上(Rs至Rm)的平均消光系數(shù)oavg;將oavg與om做差值，若誤差大于設(shè)定的迭代誤差(本文取5%),將oavg賦值給om重新進(jìn)行迭代;若誤差滿(mǎn)足要求，則輸出oavg作為測(cè)量路徑上的平均消光系數(shù)，進(jìn)一步反演出需要的能見(jiàn)度信息。該能見(jiàn)度反演迭代算法選取Klett后向法作為迭代主程序，使其具有了Klett后向法簡(jiǎn)單可靠、穩(wěn)定性好、待定參數(shù)少以及誤差來(lái)源少等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該算法還將Collis斜率法與Klett后向法相結(jié)合，使其較單一的Collis斜率法和Klett后向法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，克服了Collis斜率法均勻大氣假設(shè)的限制，適用于不同天氣條件下不同傾角路徑能見(jiàn)度的反演;其次，降低了能見(jiàn)度反演結(jié)果對(duì)消光系數(shù)初值om的依賴(lài)程度，通過(guò)控制迭代精度，經(jīng)過(guò)有限次迭代可求得大氣消光系數(shù)的穩(wěn)定解;最后，選用Collis斜率法估算Klett后向法的迭代初值om,可實(shí)現(xiàn)快速迭代。4激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)本激光雷達(dá)系統(tǒng)為車(chē)載式，可方便地用于外場(chǎng)測(cè)量，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)主要由激光發(fā)射光源、光學(xué)接收系統(tǒng)和信號(hào)接收采集系統(tǒng)三部分組成，各部分主要性能參數(shù)如表1所示。圖2車(chē)載式激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2schematicdiagramofthemobilelidar表1車(chē)載式激光雷達(dá)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1keyparametersofthemobilelidarlasertransmittingpartopticalreceivingpartdataacquisitionpartlaser:Nd:YAGwavelength:532nmpulseenergy:300mJrepetitionrate:10Hzpulsewidth:60nstelescope:Cassegraintypediameter:450mmblindrange:200mscanner:two-mirrorscannerhorizontal:0°~360°vertical:-10°~90°PMT:R7400U-04range:185~850nmpeakwavelength:400nmA/Dcard:CompuScope14100conversionrate:50MHzdynamicrange:16bit激光光源為Nd:YAG激光器，可輸出1064nm,532nm,355nm和266nm的激光，測(cè)量能見(jiàn)度時(shí)發(fā)射532nm激光。雷達(dá)采用共孔徑發(fā)射接收，掃描平面鏡可進(jìn)行俯仰和方位轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)三維空間立體掃描。被測(cè)大氣的后向散射光由卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收，信號(hào)由掃描平面鏡反射到接收主鏡，經(jīng)次鏡聚焦，通過(guò)反射鏡反射到探測(cè)器中，在探測(cè)器中依次通過(guò)聚焦透鏡、小孔光闌、窄帶濾光片等到達(dá)光電倍增管，再用前置放大器和數(shù)據(jù)采集卡對(duì)光電倍增管輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行處理，獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，并傳送到計(jì)算機(jī)，進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可獲得需要探測(cè)的信息。5典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析5.1均勻大氣條件下反演算法對(duì)比圖3給出了2011年3月29日16:14的雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，路徑傾角為8°。當(dāng)日天氣晴朗，大氣中氣溶膠粒子較少且分布較為均勻，雷達(dá)回波信號(hào)平緩衰減，可探測(cè)距離約為2km。圖3車(chē)載式激光雷達(dá)回波信號(hào)Fig.3returnsignalofthemobilelidar采用Collis斜率法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最小二乘擬合結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示在大氣較為均勻的情況下，S(R)隨距離R幾乎線(xiàn)性減小，線(xiàn)性擬合殘差較小，路徑平均消光系數(shù)。約為3.45x10-4m-1，對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度為11.82km。圖4S(R)和距離R線(xiàn)性擬合圖Fig.4linearfitofS(R)anddistance將Collis斜率法估算的消光系數(shù)代入公式(9)進(jìn)行迭代，經(jīng)一次迭代誤差就小于預(yù)先設(shè)定的5%，迭代結(jié)果如圖5所示，可以看出，在大氣較為均勻的情況下，消光系數(shù)隨距離均勻分布，最終算得測(cè)量路徑上的平均消光系數(shù)。約為3.55x10-4m-1，對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度約為11.50km,與Collis斜率法估算的能見(jiàn)度11.82km較為接近，相對(duì)誤差僅為2.7%。圖5均勻大氣條件下迭代結(jié)果及誤差分析Fig.5iterationresultsanderrorofhomogeneousatmosphere實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于均勻大氣條件，該迭代算法與廣為使用的Collis斜率法和Klett后向法(該算法一次迭代即為Klett后向法)具有良好的一致性，在均勻大氣條件下是適用的。5.2非均勻大氣條件下反演算法對(duì)比同年8月11日，天氣多云，圖6為當(dāng)日15:39的雷達(dá)回波信號(hào)，路徑傾角為39°。由圖6可見(jiàn)，多云天氣溶膠分布不均勻，雷達(dá)回波信號(hào)不平滑，在1.35km處有明顯的增強(qiáng)，可探測(cè)距離約為1.6km。圖6車(chē)載式激光雷達(dá)回波信號(hào)Fig.6returnsignalofthemobilelidarCollis斜率法處理結(jié)果如圖7所示，估算的消光系數(shù)。約為2.13x10-4m-1,對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度為19.26km,此時(shí)S(R)與距離R線(xiàn)性相關(guān)性小，該反演方法存在較大的誤差，不適用于非均勻大氣條件下能見(jiàn)度的探測(cè)。圖7S(R)和距離R線(xiàn)性擬合圖Fig.7linearfitofS(R)anddistance用該迭代算法對(duì)上述數(shù)據(jù)處理的結(jié)果如圖8所示，消光系數(shù)隨距離分布并不均勻，1.35km處消光系數(shù)明顯增加，采集數(shù)據(jù)時(shí)在紅外相機(jī)中觀察到此處有云朵飄過(guò)，應(yīng)該是造成此處消光系數(shù)增加的主要原因。局部消光系數(shù)增加時(shí)，Collis斜率法估算的平均消光系數(shù)會(huì)偏小，使其反演的能見(jiàn)度大于實(shí)際值。同時(shí)該迭代算法om的初值也會(huì)偏小，需五次迭代誤差才小于5%，首次和第五次迭代算得的消光系數(shù)分布如圖8(a)所示，消光系數(shù)隨迭代次數(shù)的增加而逐漸增加且趨于穩(wěn)定。第一次迭代(Klett方法)的平均消光系數(shù)。1約為2.70x10-4m-1，對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度約為15.12km,最終算得的平均消光系數(shù)。5約為3.82x10-4m-1，對(duì)應(yīng)能見(jiàn)度約為10.69km,明顯小于Collis斜率法估算的19.26km,相對(duì)誤差為44.5%，也小于Klett方法估算的15.12km,誤差為29.3%。圖8非均勻大氣條件下迭代結(jié)果及誤差分析Fig.8iterationresultsanderrorofinhomogeneousatmosphere同樣有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)測(cè)量路徑上出現(xiàn)潔凈層時(shí)，Collis斜率法和Klett方法反演的能見(jiàn)度會(huì)小于實(shí)際值，該迭代算法依然可以彌補(bǔ)其不足，求出消光系數(shù)的穩(wěn)定解準(zhǔn)確地反演出相應(yīng)的能見(jiàn)度?？傊?dāng)大氣非均勻時(shí)，此迭代算法可以克服Collis斜率法和Klett后向法的局限，更為快速穩(wěn)定準(zhǔn)確地反演出大氣能見(jiàn)度信息。6結(jié)論能見(jiàn)度對(duì)海陸空交通運(yùn)輸以及空間探測(cè)遙感等活動(dòng)都有重要的影響，準(zhǔn)確探測(cè)復(fù)雜天氣條件下不同傾角路徑的平均能見(jiàn)度具有非常重要的意義。本文用激光雷達(dá)對(duì)能見(jiàn)度進(jìn)行了探測(cè)，并提出了一種將Collis斜率法與Klett后向法相結(jié)合的能見(jiàn)度迭代算法，可快速穩(wěn)定準(zhǔn)確地反演出不同天氣條件下不同傾角路徑的平均能見(jiàn)度。實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，在均勻大氣條件下，該迭代算法與廣泛使用的Collis斜率法和Klett方法完全吻合;對(duì)于非均勻大氣條件，該迭代算法也可克服Collis斜率法和Klett方法的局限，更為快速準(zhǔn)確地反演出需要的大氣能見(jiàn)度信息。參考文獻(xiàn)：[1]XieChenbo,HanYong,LiChao,etal.Mobilelidarforvisibilitymeasurement[J],HighPowerLaserandParticleBeams,2005,17⑺:971-975,(inChinese)謝晨波，韓勇，李超，等,車(chē)載式激光雷達(dá)測(cè)量大氣水平能見(jiàn)度[J]，強(qiáng)激光與粒子束，2005,17(7):971-975,[2]SunZhaobin,GuoJinjia,LiuZhishen,etal,Visibilitymeasurementoverthehorizontalpathbymeansofmicropulsedlidar[J],LaserTechnology,2007,31(2):200-202,(inChinese)孫兆濱，郭金家，劉智深，等,微脈沖激光雷達(dá)測(cè)量大氣水平能見(jiàn)度[」].激光技術(shù)，2007,31(2):200-202,[3]HanDaowen,LiuWenqing,ZhangYujun,etal,Analgorithmforhorizontalvisibilitybasedonlidar[J],Laser&Infrared,2007,37(12):1250-1252,(inChinese)韓道文，劉文清，張玉鈞，等,基于激光雷達(dá)的水平能見(jiàn)度自動(dòng)反演算法[J],激光與紅外，2007,37(12):1250-1252,[4]FrancescRocadenbosch,GregoriVazquez,AdolfoComeron,Adaptivefiltersolutionforprocessinglidarreturns:opticalparameterestimation[J],ApplOpt,1998,37(30):7019-7034,[5]VladimirAKovalev,Lidarmeasurementoftheverticalaerosolextinctionprofileswithrange-dependentbackscatter-to-extinctionratios[J],ApplOpt,1993,32(30):6053-6065,[6]YueBin,DongJingjing,SunDongsong,etal,Measuringmethodofatmosphericslantvisibilitywithsemiconductorlidar[J],InfraredandLaserEngineering,2003,3