一种反演臭氧浓度廓线拟合算法、存储介质及计算机系统技术方案

本发明专利技术公开了一种反演臭氧浓度廓线拟合算法、存储介质及计算机系统，其中算法包括以下步骤：S1，输入两个波长的CCD回波信号P(λ

【技术实现步骤摘要】
一种反演臭氧浓度廓线拟合算法、存储介质及计算机系统


[0001]本专利技术涉及臭氧浓度检测领域，特别涉及一种反演臭氧浓度廓线拟合算法、存储介质及计算机系统。

技术介绍

[0002]目前我国臭氧污染问题逐渐显现，京津冀、长三角和珠三角区域尤为严重，为了精准防控，大气臭氧浓度高度廓线监测是第一步。紫外CCD光束成像技术探测臭氧浓度近地面高度廓线是一项新技术。这一技术使用的连续紫外激光器和CCD探测，比现有的仪器结构简单、价格便宜、操作使用方面，有着广泛的应用前景。
[0003]现有臭氧浓度廓线反演算法如下：
[0004]方法一：二波长差分反演算法。二波长差分反演算法需要激光雷达探测二束激光波长的激光回波信号，且一束激光的波长正处于臭氧的吸收线上，计为λon，它受到臭氧较强的吸收；另一束激光的波长位于臭氧的吸收线的边翼或吸收线之外，计为λoff，臭氧在该波长的吸收很小或没有吸收。若这两个波长选得合适，其它气体分子和气溶胶对这两束激光的消光作用和后向散射作用基本相同，光电接收系统对这两束光的接收参数也基本相同，则两束激光的回波强度差异主要由待测气体分子的吸收所引起，从而根据两个波长的回波强度的差异可以确定臭氧分子的浓度。若其它气体分子和气溶胶对这两束激光的消光作用和后向散射作用存在一定的差异，则要进行修正。
[0005]由后向散射激光雷达方程可知，波长为λ
on
和λ
off
两束激光的雷达方程分别为：
[0006][0007][0008]其中，P(λ
on
,z)、P(λ
off
,z)是接收距离z处波长分别为λ
on
和λ
off
的激光雷达回波信号，σ(λ
on
)、σ(λ
off
)分别为波长λ
on
和λ
off
时，臭氧分子的消光截面，N
O3
(z)为臭氧的分子数密度，α
g
(λ
on
,z)和α
g
(λ
off
,z)分别为波长λ
on
和λ
off
时，大气中除臭氧外的大气(包括大气分子和气溶胶)消光系数。
[0009]二波长差分反演算法就是对以上两式相除并取对数，可得z处臭氧的浓度表达式为：
[0010][0011]其中，δσ＝σ(λ
on
)
‑
σ(λ
off
)
[0012][0013][0014][0015]其中，Δz为差分高度差，B、E
A
及E
M
分别为大气后向散射作用项、大气气溶胶消光作用项及大气分子消光作用项。
[0016]方法2：三波长双差分反演算法。为了减少大气气溶胶的影响，又提出三波长双差分吸的反演方法。该方法比常规的双波长差分技术测量精度要高。其基本思想是采用两组波长对(λ
1on
,λ
1off
)，(λ
2on
,λ
2off
)分别进行差分吸收(并使λ
1off
＝λ
2on
，故只需三个波长)。
[0017]这里λ
1on
,λ
1off
＝λ
2on
，λ
2off
分别对应臭氧分子的强吸收、中等吸收和弱吸收的波长，要求两组波长差近似相等或波长差不大，这样大气气溶胶对两组波长测量的影响就可以相互抵消，从而大大减小大气气溶胶对待测污染气体分子测量的影响，该方法得到理论和实验上的证实。
[0018]现有反演算法的不足：现有的反演算法对信号的探测精度或信噪比要求较高。若信号的精度较低或者说信噪比不是很高的时，反演结果的误差会很大。现有的臭氧激光雷达探测系统都是基于望远镜和光电倍增管接收和探测信号的，探测到的信号较强，信噪比较大；然而基于紫外CCD的臭氧探测系统，采用CCD接收探测的信号，这一信号要比采用望远镜和光电倍增管的接收到的探测信号弱得多。对于紫外CCD的臭氧探测系统，应用现有的差分反演算法，反演出的臭氧浓度误差较大，结果很不理想。

技术实现思路

[0019]为了解决现有问题，本专利技术提供了一种反演臭氧浓度廓线拟合算法、存储介质及计算机系统，具体方案如下：
[0020]一种反演臭氧浓度廓线拟合算法，包括以下步骤：
[0021]S1，输入两个波长的CCD回波信号P(λ
on
,z)和P(λ
off
,z)；
[0022][0023]其中，z是高度，θ是散射角，dθ是每一个像素的张角，P(λ,z)是高度z处的散射光被一个像素接收到的散射光强度，即回波信号，β(λ,θ)是大气的侧向散射系数，α
g
(λ,z)是大气中除臭氧气体外的大气，包括大气分子和气溶胶的消光系数，σ(λ)是臭氧分子的吸收截面，是臭氧的浓度，下标on和off分别波长为λ
on
和λ
off
。
[0024]S2，对步骤1中的两个方程式进行处理，求得臭氧浓度廓线。
[0025]优选的，所述步骤2中的处理方法包括以下步骤：
[0026]S21，假设臭氧浓度在z
‑
z+Δz高度范围内均匀，且浓度为其中k为可变的自然数，C0为最小可探测浓度，当k取不同的数时，就可得到不同的臭氧浓度值；假设k的最大值为N；
[0027]S22，在z
‑
z+Δz范围内，构造n个模拟的P'(λ
on
,z+nd)；若z
‑
z+Δz范围内包含有n个CCD回波信号数据值，则以步骤1中的公式(2)探测出的P(λ
off
,z)信号为基础，依据CCD接收信号的原理，模拟构造出n个假设的P'(λ
on
,z+nd)回波信号，P'(λ
on
,z+nd)＝P(λ
off
,z)
·
exp{
‑
2kC0·
[σ(λ
0n
)
‑
σ(λ
off
)]·
nd}，其中，n的取值范围是1、2、3、
…
、n，且nd＝Δz，d为CCD回波信号中相邻数据的高度差；
[0028]S23，在z
‑
z+Δz范围内，用拟合算法计算出n个模拟假设的P'(λ
on
,z)与对应高度上实际探测的步骤1中的公式(1)中的P(λ
on
,z)差的平方和Sum(k)；Sum(k)是步骤21中可变自然数k的函数；
[0029]S24，让k从1至N逐次增加，得出N个Sum(k)；k从1开始，每次加1，直至N，其中，NC0是臭氧可能出现的最大浓度，依据探测所在地的情况而定，然后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反演臭氧浓度廓线拟合算法，其特征在于，包括以下步骤：S1，输入两个波长的CCD回波信号P(λ
on
,z)和P(λ
off
,z)；,z)；其中，z是高度，θ是散射角，dθ是每一个像素的张角，P(λ,z)是高度z处的散射光被一个像素接收到的散射光强度，即回波信号，β(λ,θ)是大气的侧向散射系数，α
g
(λ,z)是大气中除臭氧气体外的大气，包括大气分子和气溶胶的消光系数，σ(λ)是臭氧分子的吸收截面，是臭氧的浓度，下标on和off分别波长为λ
on
和λ
off
。S2，对步骤1中的两个方程式进行处理，求得臭氧浓度廓线。2.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，所述步骤2中的处理方法包括以下步骤：S21，假设臭氧浓度在z
‑
z+Δz高度范围内均匀，且浓度为其中k为可变的自然数，C0为最小可探测浓度，当k取不同的数时，就可得到不同的臭氧浓度值；假设k的最大值为N；S22，在z
‑
z+Δz范围内，构造n个模拟的P'(λ
on
,z+nd)；若z
‑
z+Δz范围内包含有n个CCD回波信号数据值，则以步骤1中的公式(2)探测出的P(λ
off
,z)信号为基础，依据CCD接收信号的原理，模拟构造出n个假设的P'(λ
on
,z+nd)回波信号，P'(λ
on
,z+nd)＝P(λ
off
,z)
·
exp{
‑
2kC0·
[σ(λ
0n
)
‑
σ(λ
off
)]
·
nd}，其中，n的取值范围是1、2、3、
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶宗明，麻晓敏，单会会，张辉，韩佳佳，赵少卿，王申浩，刘东，王珍珠，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：