本發(fā)明屬于大氣光學測量領域，更具體的說，一種基于改進的mie式散射激光雷達的海上大氣氣溶膠水平消光系數(shù)廓線的測量方法。

背景技術：

近幾年，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，環(huán)境的破壞也越來越嚴重，尤其是大氣的污染已嚴重影響到人們的身體健康和日常生活，因此，對大氣進行探測研究顯得更加重要。

人們所熟知的大氣能見度(visibility)能夠反映大氣的透明程度，是與大氣探測相關的物理量之一。大氣能見度是一個重要的氣象觀測要素，能見度值的預報不僅用于氣象部門的天氣分析，還能廣泛應用于航空、航海、高速公路等交通運輸、軍事以及環(huán)境監(jiān)測等領域。

對大氣能見度的測量實質是對氣溶膠消光系數(shù)的測量。氣溶膠探測技術主要可以分為兩大類：被動探測與主動探測。其中，被動探測又主要包含衛(wèi)星被動遙感探測和地面太陽輻射計等。主動探測即激光雷達探測。

激光雷達用于大氣氣溶膠探測具有探測范圍廣和高時空分辨率的特點，近年來被廣泛應用于大氣與環(huán)境檢測領域。激光雷達作為一種主動遙感探測工具，可以獲得豐富的氣溶膠相關的光學特性，而能提供較為準確的氣溶膠光學特性信息，激光雷達可以與衛(wèi)星或者機載遙感探測相結合，適用范圍較為廣泛。

利用激光雷達探測大氣氣溶膠消光系數(shù)，通常是針對垂直大氣。在獲得垂直大氣激光雷達數(shù)據(jù)之后利用fernald方法進行垂直方向上的消光系數(shù)廓線反演。然而，在海洋上水平大氣氣溶膠光學特性的探測也是十分有必要的。因為，在船舶航行過程中，實時獲取船只周圍的水平大氣能見度變化可以避免因能見度過低引發(fā)的航行安全問題。更重要的，在軍事應用方面，獲得艦船之間區(qū)域的氣溶膠消光系數(shù)分布對實現(xiàn)高效的艦船間激光通信有著非常重要的意義。

然而，現(xiàn)有的對于水平大氣消光系數(shù)測量技術存在一定局限性，其測量值不準確，沒有實際應用的價值。因為，現(xiàn)有技術中，將激光雷達系統(tǒng)用于水平大氣氣溶膠測量的過程中，通常先假設大氣均勻分布，然后使用斜率法反演獲得一個固定的消光系數(shù)值。但是，在實際情況當中，大氣水平均勻分布的假設并不成立。尤其在海洋上，由于特殊的氣候條件導致海洋上低層大氣中的水汽凝結聚集從而產生海霧。這種海霧厚度通常在幾百米到數(shù)千米不等。激光雷達對氣溶膠探測的距離范圍通常為公里量級，則對存在海霧的情況下假設大氣均勻分布，顯然不能夠獲得準確的氣溶膠消光系數(shù)值。

因此，需要對現(xiàn)有裝置或者方法進行改進，以能準確測量出海平面非均勻水平大氣氣溶膠消光系數(shù)。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種擬合反演海平面水平大氣消光系數(shù)的方法，其目的在于，根據(jù)海平面水平大氣特點，設計出能同時測量均勻海平面大氣以及非均勻海平面大氣消光系數(shù)的方法，本發(fā)明方法尤其適合測量海平面非均勻水平大氣氣溶膠消光系數(shù)。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種擬合反演海平面水平大氣消光系數(shù)的方法，其包括如下步驟：

s1：采集獲得海平面水平大氣的回波信號原始數(shù)據(jù)；

s2：對整段的回波信號原始數(shù)據(jù)做歸一化處理，重構回波信號電壓與距離關系曲線，獲得回波信號數(shù)據(jù)；

s3：采用小波算法對回波信號數(shù)據(jù)進行去噪處理；

s4：采用斜率法求取經(jīng)去噪處理后的回波信號數(shù)據(jù)的消光系數(shù)，稱之為斜率法消光系數(shù)；

s5：將經(jīng)去噪處理后整段回波信號數(shù)據(jù)依照其對應的探測距離從近至遠順序進行均勻分段，以斜率法消光系數(shù)為最后一個數(shù)據(jù)段的邊界消光系數(shù)值，并由后及前地使用fernald方法迭代反演出所有數(shù)據(jù)段的消光系數(shù)值，稱之為fernald法消光系數(shù)；

s6：比較步驟s3的斜率法消光系數(shù)和步驟s4的fernald法消光系數(shù)，以判斷海平面水平大氣消光系數(shù)的均勻性，

若判定海平面水平大氣的消光系數(shù)是均勻的，則選擇步驟s5中任意一個均分數(shù)據(jù)段為最佳邊界值擬合區(qū)域，直接進入步驟s9；

若判定該處海平面水平大氣的消光系數(shù)是不均勻的，進入步驟s7；

s7：對經(jīng)去噪處理后整段回波信號數(shù)據(jù)重新進行分段，對每個數(shù)據(jù)分段進行擬合優(yōu)度；

s8：計算獲得每個數(shù)據(jù)分段的擬合優(yōu)度后，將擬合優(yōu)度相互比較，以獲得最大擬合優(yōu)度值，最大擬合優(yōu)度值對應的數(shù)據(jù)分段的均勻性最高，選擇該數(shù)據(jù)分段為最佳邊界值擬合區(qū)域；

s9：在最佳邊界值擬合區(qū)域中采用雙組分擬合法擬合出消光系數(shù)的邊界值；

s10：將消光系數(shù)的邊界值作為反演的邊界值，采用fernald法迭代反演出所有每個數(shù)據(jù)分段的消光系數(shù)值，將每個數(shù)據(jù)分段的消光系數(shù)值與距離聯(lián)系起來形成消光系數(shù)廓線。

進一步的，步驟s6中，比較步驟s3的斜率法消光系數(shù)和步驟s4的fernald法消光系數(shù)，以判斷海平面水平大氣消光系數(shù)的均勻性具體包括如下步驟，

s61：將探測距離與步驟s3獲得斜率法消光系數(shù)、將探測距離與步驟s4獲得的fernald法消光系數(shù)分別代入激光雷達方程，反推出斜率法消光系數(shù)下回波信號功率ptc和fernald法消光系數(shù)下的回波信號功率pf，

s62：將斜率法消光系數(shù)下回波信號功率ptc和fernald法消光系數(shù)下的回波信號功率代入下列公式，計算出殘差平方和rss，

rss＝∑(pf-ptc)²

其中，各個參數(shù)的含義為：ptc為斜率法消光系數(shù)下回波信號功率，pf為fernald法消光系數(shù)下的回波信號功率pf，

s63：依據(jù)下述公式計算海平面水平大氣的回波信號原始數(shù)據(jù)中包含的最大噪聲p3σ(r)：

p3σ(r)＝po(r)+3σ·ε

其中，各個參數(shù)的含義為，po(r)是理想無噪聲的回波信號功率，σ是所含噪聲的標準偏差，ε是一列期望為0、標準差為1的高斯分布隨機序列，

s64：依據(jù)下述公式計算殘差平方和的閾值rssthr：

rssthr＝∑(p3σ(r)-po(r))²

其中，各個參數(shù)的含義為，po(r)是理想無噪聲的回波信號功率，p3σ(r)為海平面水平大氣的回波信號原始數(shù)據(jù)中包含的的最大噪聲，

s65：將子步驟s62計算的殘差平方和與子步驟s64計算的殘差平方和閾值作比較，

若殘差平方和小于殘差平方和閾值，則判定海平面水平大氣的消光系數(shù)是均勻，

若殘差平方和小于殘差平方和閾值，則判定海平面水平大氣的消光系數(shù)是不均勻。

進一步的，步驟s5中，將經(jīng)去噪處理后整段回波信號數(shù)據(jù)中總共兩萬個數(shù)據(jù)點依照其對應的探測距離從近至遠順序進行均勻分段，總共分為兩千個數(shù)據(jù)段。

進一步的，步驟s7中，對經(jīng)去噪處理后整段回波信號數(shù)據(jù)重新進行分段，由下述公式分別對每個數(shù)據(jù)分段進行擬合優(yōu)度的計算：

其中，rnew代表每個數(shù)據(jù)分段的擬合優(yōu)度，和分別代表了每個數(shù)據(jù)分段的斜率法回波信號功率和fernald法回波信號功率，rnew的范圍在0-1之間，

所述斜率法回波信號功率是指由斜率法消光系數(shù)反推獲得的回波信號功率，

所述fernald法回波信號功率是指由fernald法反演得到的消光系數(shù)反推回去的回波信號的功率；

進一步的，步驟s7中，對經(jīng)去噪處理后整段回波信號數(shù)據(jù)重新進行分段，獲得多個數(shù)據(jù)分段，每個數(shù)據(jù)分段的包括不同個數(shù)的數(shù)據(jù)點。

進一步的，還包括步驟s11：

s11：分析步驟s10獲得的消光系數(shù)廓線，將其與實際消光系數(shù)廓線作對比，以進行誤差分析。由于系統(tǒng)或者天氣的原因會對結果造成影響，會存在誤差，做誤差分析，能把影響的原因分析出來。

進一步的，步驟s61中，所述激光雷達方程為：

p(r)＝cp0r^-2βexp(-2αr)

其中，各個參數(shù)的含義為：p(r)表示回波信號功率，r表示探測距離，c表示激光雷達常數(shù)，p0表示激光發(fā)射功率，β表示大氣后向散射系數(shù)，α是大氣消光系數(shù)。

本發(fā)明提供了一種分段式fernald法擬合反演消光系數(shù)的方法來對回波信號作進一步的反演處理，適合測量海平面非均勻水平大氣的消光系數(shù)廓線。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，能夠取得下列有益效果：

本發(fā)明方法中，具有初步判斷海平面大氣是否均勻的步驟，如不均勻，對經(jīng)去噪處理后整段回波信號數(shù)據(jù)重新進行分段，對每個數(shù)據(jù)分段進行擬合優(yōu)度計算，獲得最大擬合優(yōu)度值，最大擬合優(yōu)度值對應的數(shù)據(jù)分段的均勻性最高，選擇該數(shù)據(jù)分段為最佳邊界值擬合區(qū)域，在最佳邊界值擬合區(qū)域中采用雙組分擬合法擬合出消光系數(shù)的邊界值，將消光系數(shù)的邊界值作為反演的邊界值，采用fernald法迭代反演出所有每個數(shù)據(jù)分段的消光系數(shù)值，將每個數(shù)據(jù)分段的消光系數(shù)值與距離聯(lián)系起來形成消光系數(shù)廓線。由于采用了分段fernald反演方法，能夠取得非均勻水平方向上大氣消光系數(shù)的分布廓線，比現(xiàn)有垂直法能更好的分析觀測水平方向上消光系數(shù)變化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中擬合反演海平面非均勻水平大氣消光系數(shù)的方法流程示意圖；

圖2是本發(fā)明中海平面非均勻水平大氣氣溶膠分段放大后的散射回波信號；

圖3本發(fā)明實施例獲得的海平面上非均勻水平大氣消光系數(shù)廓線。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

對于激光雷達用于水平消光系數(shù)測量反演方法的不足，本發(fā)明設計了一種分段fernald反演方法，用于對非均勻水平大氣氣溶膠消光系數(shù)的測量。

圖1是本發(fā)明中擬合反演海平面非均勻水平大氣消光系數(shù)的方法流程示意圖，由圖可知，其包括如下步驟：

s1：處理器接收由pico數(shù)字示波器輸入的回波信號原始數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)讀取至matlab程序中。

s2：對整段回波信號原始數(shù)據(jù)做歸一化處理，重構回波信號電壓與距離關系曲線，獲得回波信號數(shù)據(jù)。

s3：由于背景光、電類噪聲等噪聲對信號的干擾，接收到的回波信號原始數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，存在毛刺現(xiàn)象，這一步驟即采用小波算法對回波信號原始數(shù)據(jù)進行去噪處理，使回波信號數(shù)據(jù)曲線變得更加平滑；

該步驟也可稱為小波去噪，小波去噪是一個函數(shù)逼近問題，即尋找從實際信號空間到小波函數(shù)空間的最佳映射，以便得到原信號的最佳恢復。

s4：使用斜率法求取經(jīng)去噪處理后整段回波信號數(shù)據(jù)的消光系數(shù)，稱之為斜率法消光系數(shù)，該斜率法消光系數(shù)作為后續(xù)處理的參考值之一。

s5：將整段信號的譬如兩萬個數(shù)據(jù)點均勻分段形成譬如兩千個數(shù)據(jù)段(對數(shù)據(jù)均勻分段，對數(shù)據(jù)進行簡化)，以上一步中斜率法求得的斜率法消光系數(shù)為最后一段的邊界消光系數(shù)值，并由遠及近地使用fernald方法迭代反演出所有數(shù)據(jù)段的消光系數(shù)值，稱之為fernald法消光系數(shù)，將每一段的fernald法消光系數(shù)與距離聯(lián)系起來形成消光系數(shù)廓線。

s6：比較步驟s3的斜率法消光系數(shù)和步驟s4的fernald法消光系數(shù)，以判斷海平面水平大氣消光系數(shù)的均勻性，

若判定海平面水平大氣的消光系數(shù)是均勻的，則選擇步驟s5中任意一個均分數(shù)據(jù)段為最佳邊界值擬合區(qū)域，直接進入步驟s9；

若判定該處海平面水平大氣的消光系數(shù)是不均勻的，進入步驟s7；

具體包括如下步驟：

s61：將探測距離與步驟s3獲得斜率法消光系數(shù)、將探測距離與步驟s4獲得的fernald法消光系數(shù)分別代入激光雷達方程，反推出斜率法消光系數(shù)下回波信號功率ptc和fernald法消光系數(shù)下的回波信號功率pf，

所述激光雷達方程為：

p(r)＝cp0r^-2βexp(-2αr)

其中，各個參數(shù)的含義為：p(r)表示回波信號功率，r表示探測距離，c表示激光雷達常數(shù)，p0表示激光發(fā)射功率，β表示大氣后向散射系數(shù)，α是大氣消光系數(shù)。

s62：將斜率法消光系數(shù)下回波信號功率ptc和fernald法消光系數(shù)下的回波信號功率代入下列公式，計算出殘差平方和rss，

rss＝∑(pf-ptc)²

其中，各個參數(shù)的含義為：ptc為斜率法消光系數(shù)下回波信號功率，pf為fernald法消光系數(shù)下的回波信號功率pf，

s63：依據(jù)下述公式計算海平面水平大氣的回波信號原始數(shù)據(jù)中包含的的最大噪聲p3σ(r)：

p3σ(r)＝po(r)+3σ·ε

其中，各個參數(shù)的含義為，po(r)是理想無噪聲的回波信號功率，σ是所含噪聲的標準偏差，ε是一列期望為0、標準差為1的高斯分布隨機序列，

s64：依據(jù)下述公式計算殘差平方和的閾值rssthr：

rssthr＝σ(p3σ(r)-po(r))²

其中，各個參數(shù)的含義為，po(r)是理想無噪聲的回波信號功率，p3σ(r)為海平面水平大氣的回波信號原始數(shù)據(jù)中包含的的最大噪聲，

s65：將子步驟s62計算的殘差平方和與子步驟s64計算的殘差平方和閾值作比較，

若殘差平方和小于殘差平方和閾值，則判定海平面水平大氣的消光系數(shù)是均勻，

若殘差平方和小于殘差平方和閾值，則判定海平面水平大氣的消光系數(shù)是不均勻。

s7：由于整段探測距離上的消光系數(shù)是不均勻的，對經(jīng)去噪處理后整段回波信號數(shù)據(jù)重新進行分段，以分段處理回波信號，對每個數(shù)據(jù)分段進行擬合優(yōu)度計算，由下述公式分別對每個數(shù)據(jù)分段進行擬合優(yōu)度的計算：

其中，rnew代表每個數(shù)據(jù)分段的擬合優(yōu)度，和分別代表了每個數(shù)據(jù)分段的斜率法回波信號功率和fernald法回波信號功率，rnew的范圍在0-1之間，所述斜率法回波信號功率是指由斜率法消光系數(shù)反推獲得的回波信號功率，所述fernald法回波信號功率是指由fernald法反演得到的消光系數(shù)反推回去的回波信號的功率；

s8：計算獲得每個數(shù)據(jù)分段的擬合優(yōu)度后，將擬合優(yōu)度相互比較，以獲得最大擬合優(yōu)度值，最大擬合優(yōu)度值對應的數(shù)據(jù)分段的均勻性最高，選擇該數(shù)據(jù)分段為最佳邊界值擬合區(qū)域；

s9：在最佳邊界值擬合區(qū)域中采用雙組分擬合法擬合出消光系數(shù)的邊界值。

s10：將消光系數(shù)的邊界值作為反演的邊界值，采用fernald法迭代反演出所有每個數(shù)據(jù)分段的消光系數(shù)值，將每個數(shù)據(jù)分段的消光系數(shù)值與距離聯(lián)系起來形成消光系數(shù)廓線。

s11：分析步驟s10獲得的消光系數(shù)廓線，將其與實際消光系數(shù)廓線作對比，以進行誤差分析。此步驟，只是單純的做誤差分析。因為，由于系統(tǒng)或者天氣的原因會對結果造成影響，不可能沒有誤差。

本發(fā)明方法中，相對于已有的測量大氣水平能見度的系統(tǒng)和方法，可采用譬如帶有門控功能的光電倍增管作為探測器來分段采集大氣后向散射回波信號。由計算機發(fā)出門控信號控制開門延遲時間以達到探測器分段采集不同距離處散射回波信號的目的。將分段采集的信號輸送至可控放大模塊中，通過計算機的控制信號控制放大電路對不同段的信號做不同倍率的放大處理，近距離的散射回波信號放大倍率小以防止出現(xiàn)信號飽和削頂現(xiàn)象，遠距離的散射回波信號放大倍率大可以更好的提取出遠距離處的回波信號，增大其與系統(tǒng)熱噪聲等噪聲的信噪比。再將分段放大后的信號輸入pico數(shù)字示波器，由示波器轉化成數(shù)字信息并存儲顯示數(shù)據(jù)。

圖2是本發(fā)明中海平面非均勻水平大氣氣溶膠分段放大后的散射回波信號，通過計算機控制光電倍增管開門探測譬如六次，分別控制每次開門延遲時間，分段記錄散射回波信號。與此同時，計算機控制放大模塊對六段進行不同倍率的放大，得到如附圖2所示的分段放大散射回波信號。

接著，再對該回波信號做進一步反演處理，由fernald法取代斜率法反演水平方向上的消光系數(shù)廓線，fernald方法是將大氣分子和懸浮顆粒物對激光光束發(fā)生散射現(xiàn)象的影響區(qū)分開，并假定顆粒物消光后向散射比為常數(shù)，在此基礎上求解mie散射激光雷達方程從而得到消光系數(shù)。

在本發(fā)明的一個實施例中，譬如首先以六個分段的不同放大倍率值作為參數(shù)對整條曲線進行歸一化處理；隨后對信號進行降噪處理以減小噪聲對反演結果的影響，提高性噪比，這里我們采用了小波去噪算法，根據(jù)多次試驗，選取‘db4’作為小波變換的小波基進行軟閾值處理；再取最后幾公里數(shù)據(jù)，通過雙組分擬合法精確估計氣溶膠消光系數(shù)邊界值；將該消光系數(shù)作為fernald算法的起始數(shù)據(jù)向近距離遞歸逐一求取不同距離處對應的消光系數(shù)，并作出距離和消光系數(shù)關系曲線即得到水平方向上的大氣消光系數(shù)廓線。

圖3是本發(fā)明實施例獲得的海平面上非均勻水平大氣消光系數(shù)廓線，其為2016年6月29日至2016年7月15日在黃渤海海域進行海洋大氣消光系數(shù)觀測實驗時獲得到數(shù)據(jù)，通過fernald算法反演得到的水平方向上大氣消光系數(shù)廓線。由該圖可看出，在水平方向上大氣消光系數(shù)有明顯變化，這和實際情況相符。本發(fā)明能夠準確獲得消光系數(shù)的分布情況，這對于辨別航行時能見度變化提供了一定的參考價值。

本發(fā)明方法在于將fernald反演消光系數(shù)方法替代傳統(tǒng)的斜率法對水平方向上的消光系數(shù)反演得到消光系數(shù)廓線，能更好的分析水平方向上消光系數(shù)的變化。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。