【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于雷达，尤其涉及一种基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法及系统。
技术介绍
1、大气气溶胶指悬浮于空气中的介于0.001～100μm之间的固态或者液态颗粒物，在大气物理化学过程中扮演相当重要的角色。因此，需要对全球云和气溶胶进行高分辨率水平和垂直的持续观测。激光雷达因工作波长短，可与大气中的云和气溶胶粒子直接发生散射作用，且具有高指向性、高单色性、高时空分辨率等特点，满足了大气的区域化和垂直剖面探测需求，成为目前研究云和气溶胶垂直分布的有效手段。目前，星载激光雷达中最具代表性的是美国航空航天局(nasa)在2006年发射的calipso(cloud-aerosol lidar andinfrared pathfinder satellite observations)卫星及其搭载的caliop(cloud-aerosollidar with orthogonal polarization)激光雷达。caliop已经在轨工作了约17年，证明了星载激光雷达在轨长寿命和高可靠的工作能力，然而由于性能下降，该雷达已于2023年8月份停止工作。2022年4月16日，我国成功将大气环境监测卫星dq-1号发射升空，其搭载的星载激光雷达载荷——云和气溶胶高光谱分辨率激光雷达(aerosol and carbon dioxidedetection lidar,acdl)第一次在卫星探测中采用了高光谱分辨率云和气溶胶探测技术，具有巨大的云和气溶胶高精度探测的潜力。
2、云和气溶胶的相互作用对全球辐射强迫有重要影响，想要精确
3、星载激光雷达的定标工作通常分为三个部分：背景噪声扣除、距离增益校正和在轨辐射定标三个部分。首先，背景噪声扣除是基于高空探测信号中没有大气分子载荷的假设，采集高空探测信号的均值作为背景噪声，并从全部高度范围的探测信号中扣除背景噪声分量；距离增益校正是基于激光雷达探测方程进行距离平方校正以及系统增益系数校正，归一化与大气组分光学特性无关的变量；在轨辐射定标是根据大气模型数据模拟理想的大气衰减后向散射信号，利用实际探测信号与理想信号之比计算探测信号的定标系数，并利用定标系数进行校正，得到精确的衰减后向散射系数。
4、目前，星载激光雷达的定标方法十分丰富，其中最具代表性的是calipso官方昼夜定标方法，该方法经历了多个版本的迭代，分为夜间定标和日间定标两个子方法。
5、calipso官方夜间定标方法是根据大气分子散射模型估算出的大气信号来计算定标系数，以实现定标区域内实测信号与估算信号的最佳匹配。最新的v4版本的calipso官方夜间定标方法中，首先到考虑到97-112km海拔下探测信号中几乎不存在源自大气组分的后向散射分量，采集该区域的均值信号作为背景噪声进行扣除；其次，由于激光雷达回波信号的距离衰减效应以及放大器增益等效应，对扣除了背景噪声信号的探测信号进行距离增益校正得到未定标信号；官方构建的最新v4版本方法认为34-38km处高度范围内云和气溶胶的影响几乎可以忽略不计，于是使用该区域作为定标区域，计算未定标信号与大气分子散射模型估算出的大气分子衰减后向散射信号的比值作为定标系数，并应用于全部信号，实现calipso夜间探测信号的定标。
6、对于白天，由于星载激光雷达在探测时受到太阳背景信号的强烈影响，雷达的探测信号的信噪比相比夜间探测急剧下降，导致夜间定标方法通常难以应用于日间。因此，calipso官方日间定标方法基于高空洁净大气区域内气溶胶含量短期昼夜不变的基本假设，将一组纬度相关的比例因子作用于夜间定标系数来估计日间定标系数。最新的v4版本的calipso官方日间定标方法中，首先依然使用和夜间相同的策略进行背景噪声扣除；其次，选定云和气溶胶出现频率较低的平流层区域作为定标转换区域，利用定标转换区域中的日夜衰减散射比构建定标转换系数；最终将纬度相关的定标转换系数作用于相邻探测场景下的夜间定标系数，转换获取该日间场景下的日间定标系数，以此实现calipso日间探测信号的定标。
7、尽管目前主流的星载激光雷达定标方法，如calipso的官方定标方法在学术研究与现实生产中得到了较为广泛的应用，然而该方法在原理上存在限制，具体而言：
8、calipso官方昼夜定标方法中，背景噪声的采集与扣除都基于极高空区域的激光回波探测信号中大气成分稀薄，几乎不存在大气组分后向散射分量的假设，因此利用极高空探测信号的均值采集为背景噪声。这要求星载激光雷达记录的探测信号高度要足够高(如calipso官方定标方法中规定的背景噪声扣除高度为97-112km)，对于记录探测信号高度有限的星载激光雷达，在使用该类定标方法时，则会由于信号记录高度较低，探测区域内大气分子的载荷上升，导致探测信号中几乎不存在大气组分后向散射分量的假设不再满足。此时如果仍将探测信号的均值视为背景噪声进行采集并扣除，则会扣除一部分的大气后向散射信号，即背景噪声过度扣除。并且由于定标系数的计算需要扣除了背景噪声后的探测信号，因此当背景噪声过度扣除后，星载激光雷达的定标系数也会计算错误，最终造成错误定标。此外，主流定标方法对星载激光雷达的最高信号记录高度要求比较严苛，增加了信号存储以及在轨数据传输等方面的负担，硬件层面上的要求比较严苛。
9、为了解决上述问题和矛盾，需要建立更加精确的星载激光雷达的昼夜定标方法与理论体系。因此，本专利在吸收经典calipso官方昼夜定标方法优点的基础上，提出一种基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法及系统。该方法根据探测时间将星载激光雷达探测信号分为夜间探测信号与日间探测信号。对于夜间探测信号，根据原始探测信号与衰减后向散射系数之间的关系，将基于大气散射模型构建的定标区域的理想衰减后向散射系数，利用稳健线性拟合迭代方法对背景噪声和定标系数直接进行估算，进而实现星载激光雷达探测信号的夜间定标；日间探测信号则通过迭代方法完成背景噪声的估算，保证日间定标结果的精度。
技术实现思路
1、为了解决星载激光雷达主流定标方法中背景噪声的采集方法依赖的信号探测高度过高的问题，本专利技术提出了一种基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法及系统。
2、本专利技术在吸收星载激光雷达主流定标方法优点的基础上，根据信号探测时间分为夜间探测信号与日间探测信号分开进行定标，但不再使用传统背景噪声采集方法，而是通过大气模型数据拟合评估定标区域的理想背景大气分子散射信号，并基于稳健线性拟合方法和迭代方法同时估算背景噪声和定标系数，优化昼夜定标方法，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
9.根据权利要求8所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
10.一种基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标系统，其特征在于，包括：
【技术特征摘要】
1.一种基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的基于背景噪声迭代的星载激光雷达定标方法，其特征在于：
【专利技术属性】
技术研发人员：毛飞跃，李承恩，徐维维，潘增新，臧琳，龚威，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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