基于數(shù)值分布均衡化的米散射激光雷達(dá)云識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)值分布均衡化的米散射激光雷達(dá)云識別方法，該方法包括：輸入米散射激光雷達(dá)信號；對米散射激光雷達(dá)信號進(jìn)行基于噪聲估計的半離散化數(shù)據(jù)處理；對米散射激光雷達(dá)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分布均衡化處理；生成米散射激光雷達(dá)信號的背景基線；基于背景基線對米散射激光雷達(dá)信號進(jìn)行分層和識別。采用本發(fā)明可以在弱化平滑問題在云識別過程中的重要性的同時，找出與信號變化自適應(yīng)的背景基線，從而解決當(dāng)前算法過度依賴平滑或?qū)^弱云回波信號漏檢的問題，確保觀測中云層信號的識別率，提高云觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量，為氣象和氣候研究及預(yù)報提供更準(zhǔn)確的觀測資料。
【專利說明】基于數(shù)值分布均衡化的米散射激光雷達(dá)云識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及基于數(shù)值分布均衡化的米散射激光雷達(dá)云識別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在氣象和氣候研究中，云的存在和改變對輻射平衡和水汽傳輸?shù)葯C(jī)制有著重要影響，準(zhǔn)確的云出現(xiàn)率與云高分布信息是相關(guān)研究的關(guān)鍵，而這些信息只能來自長期精確的觀測。目前激光雷達(dá)作為為云層信息長期連續(xù)觀測的主要工具在國內(nèi)外大量研究和觀測站點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用。由于激光設(shè)備與光電探測設(shè)備的快速發(fā)展，近年來大氣探測激光雷達(dá)性能得到快速提高。尤其是微脈沖激光雷達(dá)(Micro-pulse Lidar, MPL)的出現(xiàn),激光雷達(dá)獲得了小型化全天候工作的性能，使得大面積非專業(yè)化的激光雷達(dá)應(yīng)用成為可能。激光雷達(dá)一項(xiàng)重要的應(yīng)用就是實(shí)現(xiàn)對云的主動探測。激光雷達(dá)主動探測及高時空分辨率的特性，使其能夠?qū)υ频拙_定位并能實(shí)時監(jiān)測云的分布及變化信息。
[0003]在激光雷達(dá)信號分布圖上，人工對云進(jìn)行識別是很直觀的事。但是，在復(fù)雜多變的大氣條件下，受噪聲干擾的激光雷達(dá)自動云識別處理卻是比較棘手的問題。為此，學(xué)者們提出了多種處理方法，主要分為兩類:一種為微分零交叉法，另一種為閾值法。
[0004]微分零交叉法的原理是，激光雷達(dá)信號隨距離衰減，一旦遇到云底則信號會突然增強(qiáng)，因而在信號中出現(xiàn)較強(qiáng)的波峰。在識別時，對激光雷達(dá)信號進(jìn)行微分，尋找突變點(diǎn)，再通過一定的條件設(shè)置區(qū)分突變點(diǎn)是否為云底。由于激光雷達(dá)信號的動態(tài)范圍較大，一般會在處理前對信號求對數(shù)，以減小其動態(tài)范圍，而對數(shù)方法只能用于信噪比較高的信號部分。激光雷達(dá)信號中存在大量的噪聲擾動，導(dǎo)致該方法對信號平滑要求較高，過度平滑會把強(qiáng)烈的云信號降低到與較厚的氣溶膠信號相似的強(qiáng)度范圍引起漏檢，平滑不夠則會出現(xiàn)較多的誤判和干擾，因而把云識別問題引入激光雷達(dá)信號處理中最基本也是至今不能完美解決的平滑問題。
[0005]閾值法的原理是，根據(jù)激光雷達(dá)信號隨探測距離衰減的特點(diǎn)，通過設(shè)計算法產(chǎn)生一定的背景基線，當(dāng)信號中出現(xiàn)超過該背景基線的波動時，認(rèn)為出現(xiàn)粒子層，再根據(jù)信號變化的強(qiáng)弱區(qū)分云層。這種算法比第一種算法對平滑的要求有所降低，其重點(diǎn)在于自動選擇相應(yīng)的背景基線。一般當(dāng)信噪比較高時背景基線選為大氣分子歸一化后向散射曲線作為基線標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)信號大小進(jìn)行強(qiáng)度放大或縮小的變化，或者對信號求對數(shù)后進(jìn)行線性擬合作為基準(zhǔn)；當(dāng)信噪比較弱時選擇背景噪聲擾動的若干倍數(shù)作為云信號出現(xiàn)的閾值。該算法的問題在于背景基線的選擇。特別是當(dāng)近地面氣溶膠含量較大時，其散射信號往往遠(yuǎn)高于大氣分子散射信號，因而使信號變化與指數(shù)變化相差太大，傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法求對數(shù)并不能使整條廓線近似呈線性，也因此導(dǎo)致背景基線無法在信號的各處都滿足要求。
[0006]雖然通過眾多學(xué)者的努力，當(dāng)前的云檢測方法已經(jīng)使檢出效果大大提高，但是，平滑和自動調(diào)整的背景基線的問題，至今都不能很好解決，導(dǎo)致在應(yīng)用中依然存在大量的誤判和漏檢的情況出現(xiàn)。[0007]當(dāng)前應(yīng)用最成功的是Wang Zhien等基于微分零交叉以及閾值方法,發(fā)展的一種利用激光雷達(dá)探測云的邊界層的方法。該方法通過對非噪聲區(qū)域(噪聲區(qū)域?yàn)樾盘柾耆辉肼曆蜎]的區(qū)域)的激光雷達(dá)信號求對數(shù)進(jìn)行線性擬合，分析信號與擬合直線的交叉來提取粒子層，并且設(shè)置了相應(yīng)的判斷指標(biāo)來區(qū)別云和氣溶膠層。目前該方法已獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0008]該方法主要分為以下五個步驟:
[0009](1)當(dāng)云出現(xiàn)時激光雷達(dá)探測信號的突然增強(qiáng)和減弱，因此會產(chǎn)生相應(yīng)的較大的信號正負(fù)斜率。計算時取信號未被噪聲湮沒的一段。這時，利用未進(jìn)行距離修正的信號計算信號變化的斜率，信號量以及背景噪聲水平的標(biāo)準(zhǔn)差σ，信號的變化S(Ri):
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)值分布均衡化的米散射激光雷達(dá)云識別方法，其特征在于，包括: 輸入米散射激光雷達(dá)信號； 對米散射激光雷達(dá)信號進(jìn)行基于噪聲估計的半離散化數(shù)據(jù)處理； 對米散射激光雷達(dá)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分布均衡化處理； 生成米散射激光雷達(dá)信號的背景基線； 基于背景基線對米散射激光雷達(dá)信號進(jìn)行分層和識別。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，輸入米散射激光雷達(dá)信號，包括: 輸入如下米散射激光雷達(dá)信號:
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，對米散射激光雷達(dá)信號進(jìn)行基于噪聲估計的半離散化數(shù)據(jù)處理，包括: 將遠(yuǎn)離有效信號接收范圍的接收數(shù)據(jù)作為背景噪聲，通過求該段數(shù)據(jù)平均值的方式對Nb進(jìn)行估計,獲得對應(yīng)P (ζ)的噪聲noise (ζ)； 對P (ζ)的噪聲毛刺進(jìn)行平滑抑制后獲得Ps (ζ); 對Ps(Z)進(jìn)行半離散化處理，獲得半離散化的激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)Pd(Z)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過求該段數(shù)據(jù)平均值的方式對Nb進(jìn)行估計，獲得對應(yīng)P (ζ)的噪聲noise (ζ),包括: 計算該段噪聲點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差:
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對P(ζ)的噪聲毛刺進(jìn)行平滑抑制后獲得Ps (Z)，包括: 將移動平均的平滑窗口設(shè)置為:若空間分辨距離大于等于0.06km則全局使用三點(diǎn)平滑，若空間分辨距離小于0.06km則全局使用0.15km窗口進(jìn)行平滑。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對ps(ζ)進(jìn)行半離散化處理，獲得半離散化的激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)Pd (ζ)，包括: 從Ps(Z)的第二個數(shù)據(jù)點(diǎn)開始遍歷數(shù)據(jù)，如果該數(shù)據(jù)與上個數(shù)據(jù)值之差的絕對值小于與其對應(yīng)的noise (ζ)，則令數(shù)據(jù)值等于上個數(shù)據(jù)值，否則保留原值。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，對ps(ζ)進(jìn)行半離散化處理，獲得半離散化的激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)Pd (ζ)，還包括: 再從后向前計算一次Pd(Z)，兩次計算結(jié)果求平均得到最后的Pd(Z)。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對米散射激光雷達(dá)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分布均衡化處理，包括: 對Pd(Z)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排序，獲得排序結(jié)果Rs (i)，(I = 1，2，3...Ν)及對應(yīng)pD(z)中的索引序列Is(i)，(i = 1，2，3…N)，其中，N為p(Z)數(shù)據(jù)點(diǎn)長度；求全局最大值Ma和最小值M1，確定全局?jǐn)?shù)據(jù)動態(tài)范圍Ma-Mi ； 計算Rs(i)中各值在全局?jǐn)?shù)據(jù)動態(tài)范圍中所占比例:PE (i) = i/N, (i = 1，2，3…N);處理過程中遍歷Pe (i)，若遇到Rs (i) = Rs(1-1)的情況，令Pe (i) = PE(i_l)； 計算新的升序數(shù)據(jù)值:y(i) = Pe(i).(Ma-Mi)+M1, (i = 1,2,3…N)； 計算出均衡化分布的新數(shù)據(jù):PN(z) =Pn [Is Q)] = y (i), (i = 1,2, 3…N)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，生成米散射激光雷達(dá)信號的背景基線，包括: 生成米散射激光雷達(dá)信號的背景基線B(z)，該基線包括兩個端點(diǎn):(Zl，MA)和(ζ,,ΜΟ。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，基于背景基線對米散射激光雷達(dá)信號進(jìn)行分層和識別，包括: 通過尋找ΡΝ(ζ)上穿B(Z)或下穿B(Z)的位置，在Pn(Z)鄰域中尋找層底或?qū)禹敚? 計算米散射激光雷達(dá)信號的上升斜率和下降斜率:.、?\η\ρ(ζ).ζ2?\
【文檔編號】G01S7/48GK103675791SQ201310652911
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】王玉詔, 趙傳峰, 王倩倩 申請人:北京師范大學(xué)