【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于大气环境卫星光学遥感领域，具体是一种星载hsrl(high-spectral-resolution lidar，高光谱分辨率激光雷达)大气粒子(云和气溶胶)的反演方法。
技术介绍
1、气溶胶是指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系，其粒子直径在0.001～100微米之间；云是大气中的水蒸气遇冷液化成的小水滴或凝华成的小冰晶所混合组成的漂浮在空中的可见聚合物。云和气溶胶对地球大气环境和调节地球气候有着重要的作用，因此获得全球大气云和气溶胶的高时空分辨率垂直剖面及光学特性对气象预测、全球辐射平衡及空气质量监测有着重大意义。
2、激光雷达作为一种主动遥感探测工具，由于其具有高时空分辨率和昼夜连续探测的优势，被广泛应用于云和气溶胶剖面探测。大气激光雷达中，高光谱分辨率激光雷达由于不需要假设激光雷达比，能够直接反演出云和气溶胶光学参数，并显著提高反演精度，成为目前大气探测领域中的重要技术之一，然而不管是地基高光谱激光雷达还是机载高光谱激光雷达都无法实现全天时实时全球范围内云和气溶胶的测量。
3、星载hsrl基于碘分子滤波器高光谱通道将回波信号中的气溶胶的米散射和分子的瑞利散射分离，从而不需要假设激光雷达比，直接反演出云和气溶胶的光学参数。星载hsrl有着以下优点：
4、(1)可以实现全天时全球范围内的云和气溶胶的测量。
5、(2)可以通过激光雷达探测信号，直接反演出云和气溶胶光学参数廓线，大大提高了反演精度。
6、专利文献cn114296103a公开了
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，获取高精度全球云和气溶胶光学参数。采用求解星载高光谱分辨率激光雷达回波信号采样点对应的激光测距值和海拔高度；使用多种去噪方法降低hsrl回波信号的噪声；对hsrl探测信号进行距离和系统常数校正；利用数值天气预报模型再分析数据集温度和压强廓线、s6大气模型和碘分子滤波器吸收光谱建立了高光谱探测通道的分子透过率查找表，并计算了高光谱探测通道的气溶胶透过率和大气分子参数；基于衰减后向散射系数计算云和气溶胶后向散射系数和散射比；计算回波电压信号噪声比；利用散射比和电压信号噪声比阈值法进行层次识别；通过层次区域处理，确定有效数据反演区域；初步反演云和气溶胶光学厚度、消光系数与雷达比；通过对初步反演的雷达比进行高斯平滑滤波，得到最终的雷达比，并由此计算出最终的消光系数。
2、本专利技术的技术解决方案如下：
3、一种星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特点在于，包含以下步骤：
4、(1)星载激光雷达系统主要由发射端和接收端两部分组成，发射端会发射一束波长为532nm的脉冲激光，作用于大气分子、云和气溶胶并发生透射、吸收和散射。在接收端，激光雷达望远镜会接收到大气分子、云和气溶胶的后向散射信号，通过高光谱探测分别得到偏振信号、平行通道信号以及纯分子散射信号。
5、(2)求解回波信号中每个采样点对应的激光测距值和海拔高度。
6、(3)利用廓线叠加、滑动平均和小波去噪的方法对回波电压信号进行去噪平滑处理。
7、(4)在步骤(3)的基础上，对星载激光雷达探测到的大气回波信号进行距离和系统常数校正，得到校正后的衰减后向散射信号。
8、(5)根据数值天气预报模型的再分析气象数据集给出的温度和压力剖面、s6大气模型和碘分子滤波器的吸收光谱建立高光谱通道的分子透过率查找表，并求解高光谱通道的气溶胶透过率和大气分子参数。
9、(6)利用衰减后向散射信号、分子透过率查找表、气溶胶透过率和大气分子参数初步反演气溶胶后向散射系数，并计算得到大气散射比。
10、(7)利用回波电压信号及其高空背景大气区域的本底噪声来计算电压信号噪声比。
11、(8)利用大气散射比和电压信号噪声比，设定云和气溶胶的层次识别阈值，进行云和气溶胶层次识别，并根据雷达指向点的高程在已有层次中筛选出地表；
12、(9)将云和气溶胶层次合并作为层次区域，地表和清洁大气合并作为非层次区域，仅保留层次区域的数据，作为有效数据，参与后续的云和气溶胶光学参数反演。
13、(10)利用衰减后向散射信号、分子透过率查找表、气溶胶透过率、大气分子参数和层次识别结果进行云和气溶胶光学厚度(大气光学厚度)、消光系数和雷达比光学参数的初步反演。
14、(11)利用激光雷达比动态范围小的特点，对雷达比进行高斯平滑滤波，得出最终的雷达比反演结果，并结合消光系数和雷达比之间的关系得出优化的云和气溶胶消光系数的反演结果。
15、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
16、(1)本专利技术利用数值天气预报模型的再分析数据集数据和碘分子滤波器的吸收光谱，建立了不同温度和压强的高光谱通道的分子透过率查找表，提高了处理卫星遥感数据的效率。本专利技术基于星载激光雷达高光谱探测数据，提出了一种新型的层次识别的方法，实现了大气中云和气溶胶层次的有效识别，提高了高光谱探测数据的反演精度。利用采集到的激光雷达数据以及基于星载激光雷达高光谱探测数据的处理方法，实现了星载平台的高光谱分辨率激光雷达的数据处理及光学参数反演。
17、(2)将激光雷达技术与卫星平台相结合，实现了对大气分子、云和气溶胶的远距离、高精度探测，通过高光谱探测技术获取回波信号中的偏振信号、平行通道信号以及纯分子散射信号，提高了对大气成分的探测能力。利用激光测距公式和卫星位置坐标、激光雷达指向点对应的经纬度、高程以及回波采集段的延时时间，精确计算回波信号采样点对应的激光测距值和海拔高度，提高了测距和海拔高度计算的准确性
18、(3)通过设定散射比阈值和电压信号噪声比阈值，实现了对云和气溶胶层次的准确识别，并将层次区域作为有效数据进行后续的气溶胶光学参数反演，这种层次识别和处理方法的创新提高了反演结果的准确性和可靠性。利用卫星接收到的回波电压信号进行质量控制和层次识别，既能反演机载探测范围内的云和气溶胶光学参数，也能反演更高范围的光学参数。同时由于卫星全天时实时全球范围的监测，接收到的信号数量及其大，而本专利技术从数据反演效率出发，提出了建立高光谱通道分子透过率查找表的方法，极大提高了卫星遥感数据批量处理的效率。
19、(4)相比cn114296103a，本专利技术利用卫星接收到的回波电压信号进行质量控制和层次识别，既能反演机载探测范围内的云和气溶胶光学参数，也能反演更高范围的光学参数。同时由于卫星全天时实时全球范围的监测，接收到的信号数量极其大，本专利技术从数据反演效率出发，提出了建立高光谱通道分子透过率查找表的方法，极大提高了卫星遥感数据批量处理的效率。
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1.一种星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，所述步骤S2.求解回波信号中每个采样点对应的激光测距值和海拔高度，具体是，利用卫星位置坐标、激光雷达指向点对应的经纬度、指向点对应的高程以及回波采集段的延时时间，通过激光测距公式计算测距值；再利用测距信息求解每个采样点的海拔高度，并将回波数据采集点匹配到特定高度网格中。
3.根据权利要求2所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，每个采样点对应的激光测距值r，即卫星到采样点的距离，公式如下：
4.根据权利要求1所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，所述步骤S4.对去噪后的回波信号进行距离和系统常数校正，得到校正后的衰减后向散射信号，具体是：对回波信号进行距离和系统常数校正，利用在轨标定的通道系统常数和在地面标定的探测器的响应参数和增益系数，得到三个通道的衰减后向散射系数。
5.根据权利要求1所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，所述步骤
6.根据权利要求1所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，所述步骤S6.利用衰减后向散射信号、分子透过率查找表、气溶胶透过率和大气分子参数，初步反演气溶胶后向散射系数βa(r)，并计算大气散射比R(r)，公式如下：
7.根据权利要求1所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，所述步骤7.根据原始电压回波信号及其对应的高空清洁大气区域的本底噪声，计算接收通道的电压信号噪声比UNRi(r)，公式如下：
8.根据权利要求1所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，所述步骤10.中计算大气光学厚度τ(r)、气溶胶消光系数αa(r)、大气分子的消光系数αm(r)、气溶胶的雷达比Sa(r)，公式如下：
...【技术特征摘要】
1.一种星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，所述步骤s2.求解回波信号中每个采样点对应的激光测距值和海拔高度，具体是，利用卫星位置坐标、激光雷达指向点对应的经纬度、指向点对应的高程以及回波采集段的延时时间，通过激光测距公式计算测距值；再利用测距信息求解每个采样点的海拔高度，并将回波数据采集点匹配到特定高度网格中。
3.根据权利要求2所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，每个采样点对应的激光测距值r，即卫星到采样点的距离，公式如下：
4.根据权利要求1所述的星载高光谱探测激光雷达大气粒子反演方法，其特征在于，所述步骤s4.对去噪后的回波信号进行距离和系统常数校正，得到校正后的衰减后向散射信号，具体是：对回波信号进行距离和系统常数校正，利用在轨标定的通道系统常数和在地面标定的探测器的响应参数和增益系数，得到三个通道的衰减后向散射系数。
5.根据权利要求1所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘继桥，胡建波，陈卫标，王雄，谢缘，杨巨鑫，樊纯璨，竹孝鹏，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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