本發(fā)明涉及環(huán)境科學(xué)、激光雷達(dá)領(lǐng)域，具體為一種大氣顆粒物米散射激光雷達(dá)數(shù)據(jù)拼接方法。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)是探測(cè)大氣時(shí)空分布研究領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，激光雷達(dá)具有高空間和時(shí)間分辨率，允許各種條件下進(jìn)行大氣觀測(cè)，探測(cè)范圍可覆蓋近地面到100km高空，激光輻射與大氣成分存在各種各樣的相互作用，除了探測(cè)痕量氣體、氣溶膠、云，還可以探測(cè)大氣基本參量如溫度、壓力、濕度、風(fēng)，激光雷達(dá)可以監(jiān)測(cè)數(shù)立方米、數(shù)秒乃至全球、數(shù)年的大氣變化過(guò)程，激光雷達(dá)已經(jīng)被應(yīng)用于湍流過(guò)程、邊界層的晝夜變化、水汽與臭氧通量探測(cè)，激光雷達(dá)可以監(jiān)測(cè)排放速率與痕量氣體的濃度水平，平流層臭氧消耗為全球的激光雷達(dá)所探測(cè)，激光雷達(dá)可以用來(lái)區(qū)分云中的水滴和冰晶，激光雷達(dá)有助于人們理解氣溶膠的氣候效應(yīng)，激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)到了因大規(guī)模火山爆發(fā)導(dǎo)致的平流層擾動(dòng)、空氣污染洲際間的傳輸、沙塵、森林火災(zāi)煙塵，在中間層，激光雷達(dá)證明了金屬原子、離子層、重力波的存在。

其中，在目前的顆粒物監(jiān)測(cè)中，最成熟也是應(yīng)用最廣泛的是米散射激光雷達(dá)，相對(duì)于其他相互作用的后向散射截面，米散射的后向散射截面最高，回波信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)，利用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣對(duì)激光雷達(dá)米散射回波信號(hào)進(jìn)行模擬，可知米散射回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍非常大高達(dá)8個(gè)數(shù)量級(jí)，這給激光雷達(dá)回波信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大困難，因此在使用模擬采集時(shí)很容易造成近場(chǎng)飽和與遠(yuǎn)場(chǎng)信噪比不夠的情況，前放電路對(duì)于光電探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行一定倍數(shù)放大，很容易造成近場(chǎng)信號(hào)飽和及遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)信噪比不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種大氣顆粒物米散射激光雷達(dá)數(shù)據(jù)拼接方法，以解決米散射激光雷達(dá)在模擬采集下近場(chǎng)飽和和遠(yuǎn)場(chǎng)信噪比不夠的問(wèn)題，擴(kuò)大激光雷達(dá)動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

該方法通過(guò)計(jì)算大信號(hào)和小信號(hào)的信噪比，在大信號(hào)和小信號(hào)信噪比均較高的區(qū)域進(jìn)行線性擬合，進(jìn)而得到近場(chǎng)不飽和及遠(yuǎn)場(chǎng)信噪比較高的拼接信號(hào),該激光雷達(dá)數(shù)據(jù)拼接方法擴(kuò)大了激光雷達(dá)模擬采集下的動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍，可廣泛應(yīng)用于米散射激光雷達(dá)對(duì)于大氣污染物的探測(cè),主要步驟如下：

(1)米散射激光雷達(dá)后向散射回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)方程為：

其中：P(R)為激光雷達(dá)接收到距離R處的后向散射回波信號(hào)(W)；

C為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)(W·km³·sr)，

β(R)為距離R處的總后向散射系數(shù)(km^-1·sr^-1)，

其中，和β_m(R)分別是距離R處氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(shù)，

α(R)是距離R處總的消光系數(shù)(km^-1)，和α_m(R)分別是距離R處氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù)；

(2)獲取大信號(hào)和小信號(hào)，其方法為：分別選取激光雷達(dá)信號(hào)遠(yuǎn)端的背景基線信號(hào)，扣除平均直流背景，分別得到有效大信號(hào)P_Big(R)和有效小信號(hào)P_small(R)，同時(shí)根據(jù)前放電路特性，尋找有效大信號(hào)P_Big(R)最大值0.6倍的距離R_i；

(3)根據(jù)激光雷達(dá)信噪比計(jì)算公式，得到大信號(hào)信噪比SNR_Big和小信號(hào)信噪比SNR_small，

其中，N_s為激光雷達(dá)米散射回波信號(hào)的光子計(jì)數(shù)，N_b為對(duì)應(yīng)的光背景噪聲，N_d為暗計(jì)數(shù)，n為測(cè)量次數(shù)；

(4)根據(jù)大信號(hào)信噪比SNR_Big確定Fernald反演算法要求的最小信噪比距離R_Big，i；根據(jù)小信號(hào)信噪比SNR_small確定Fernald反演算法要求的最小信噪比距離R_small，i；

(5)在第(2)中得到的R_i和第(4)中得到的R_Big，i和R_{small，i}確定線性擬合范圍R_min和R_max；

(6)采用滑動(dòng)窗口的方法，對(duì)大信號(hào)和小信號(hào)分別取一定窗口寬度L，窗口寬度小于等于50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，由于前放電路對(duì)于大信號(hào)有一定的延遲，大信號(hào)窗口數(shù)值往后移動(dòng)4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(7)利用最小二乘法將有效小信號(hào)P_small(R)線性擬合到有效大信號(hào)P_Big(R)，計(jì)算二者 的相關(guān)系數(shù)δ_i和線性系數(shù)α_i和b_i，其中，P_Big(R)＝α_i*P_small(R)+b_i；

(8)如果第(6)中得到的δ_i大于設(shè)定的閾值δ_th，那么將上述窗口寬度之前的小信號(hào)P_small(R)采用線性系數(shù)α_i和b_i擬合賦值給拼接信號(hào)P_Matched，窗口寬度之后將P_Big(R)賦值給拼接信號(hào)P_Matched；

(9)如果第(6)中得到δ_i不滿足設(shè)定的閾值δ_th，將窗口寬度L減小一個(gè)，重復(fù)第(6)、(7)、(8)直至滿足要求，窗口寬度不低于10，如果窗口寬度達(dá)到10且仍然沒(méi)有找到一個(gè)好的拼接區(qū)域，那么直接采用小信號(hào)；

(10)對(duì)拼接信號(hào)P_Matched進(jìn)行距離校正，有S(R)＝P_Matched·R²；

(11)將S(R)代入Fernald后向積分方程，即可得到信噪比提升的消光系數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果：

本發(fā)明對(duì)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)采取分別放大，然后動(dòng)態(tài)拼接的方法(稱放大倍數(shù)較大的信號(hào)為大信號(hào)，放大倍數(shù)較小的為小信號(hào))，該方法通過(guò)計(jì)算大信號(hào)和小信號(hào)的信噪比，在大信號(hào)和小信號(hào)信噪比均較高的區(qū)域進(jìn)行線性擬合，進(jìn)而得到近場(chǎng)不飽和及遠(yuǎn)場(chǎng)信噪比較高的拼接信號(hào)，能夠補(bǔ)償一定硬件條件下，小信號(hào)遠(yuǎn)端信噪比不夠及大信號(hào)近端飽和的缺點(diǎn),該激光雷達(dá)數(shù)據(jù)拼接方法擴(kuò)大了激光雷達(dá)模擬采集下的動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍，本發(fā)明可以適用于大氣遙感雙視場(chǎng)激光雷達(dá)信號(hào)的拼接；本發(fā)明除了可以對(duì)高空的激光雷達(dá)模擬采集信號(hào)進(jìn)行處理分析，還可用于大氣顆粒物回波信號(hào)的水平測(cè)量；本發(fā)明的計(jì)算流程能夠無(wú)人值守，可以自動(dòng)反演測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1為系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的流程圖；

圖3描述了小信號(hào)、大信號(hào)及拼接信號(hào)；

圖4顯示為小信號(hào)、大信號(hào)及拼接信號(hào)的近場(chǎng)情況；

圖5描述了小信號(hào)、大信號(hào)及拼接信號(hào)的遠(yuǎn)場(chǎng)情況的數(shù)據(jù)示意圖

圖6為小信號(hào)及拼接信號(hào)信噪比的示意圖；

圖7為將拼接信號(hào)代入Fernald方法求解得到的消光系數(shù)；

圖中，Num的單位為Km。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合一次具體的數(shù)據(jù)做進(jìn)一 步的詳細(xì)說(shuō)明。在此，本發(fā)明的示意性事例用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

采用米散射激光雷達(dá)進(jìn)行顆粒物檢測(cè)，其硬件上主要包括：激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，由圖1所示可知，激光器擴(kuò)束鏡等其他光學(xué)單元構(gòu)成了激光發(fā)射系統(tǒng)；

望遠(yuǎn)鏡、反射鏡、光電探測(cè)器PMT以及信號(hào)采集幾個(gè)模塊構(gòu)成了接收系統(tǒng)；

利用計(jì)算機(jī)、邏輯電路及運(yùn)行控制軟件作為控制系統(tǒng)控制接收系統(tǒng)和激光發(fā)射系統(tǒng)的工作，保證了激光發(fā)射、回波信號(hào)接收、放大和數(shù)據(jù)采集的有序進(jìn)行并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與顯示。

采用圖1所示的硬件進(jìn)行顆粒物數(shù)據(jù)采集，利用控制系統(tǒng)進(jìn)行米散射激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理的主要步驟如由圖2所示，

(1)已知，米散射激光雷達(dá)后向散射回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的激光雷達(dá)方程為：

其中：P(R)為激光雷達(dá)接收到距離R處的后向散射回波信號(hào)(W)；

C為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)(W·km³·sr)，

β(R)為距離R處的總后向散射系數(shù)(km^-1·sr^-1)，

其中，和β_m(R)分別是距離R處氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(shù)，

α(R)是距離R處總的消光系數(shù)(km^-1)，和α_m(R)分別是距離R處氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù)；

(2)獲取大信號(hào)和小信號(hào)，其方法為：分別選取激光雷達(dá)信號(hào)遠(yuǎn)端的背景基線信號(hào)，扣除平均直流背景，分別得到如圖3所示的有效大信號(hào)P_Big(R)和有效小信號(hào)P_small(R)，同時(shí)根據(jù)前放電路特性，尋找有效大信號(hào)P_Big(R)最大值0.6倍的距離R_i，其中，稱放大倍數(shù)較大的信號(hào)為大信號(hào)，放大倍數(shù)較小的為小信號(hào)；

(3)根據(jù)激光雷達(dá)信噪比計(jì)算公式，得到大信號(hào)信噪比SNR_Big和小信號(hào)信噪比SNR_small，信號(hào)信噪比SNR_Big和小信號(hào)信噪比SNR_small的數(shù)據(jù)如圖4所示，

其中，N_s為激光雷達(dá)米散射回波信號(hào)的光子計(jì)數(shù)，N_b為對(duì)應(yīng)的光背景噪聲，N_d為暗計(jì)數(shù)， n為測(cè)量次數(shù)；

(4)根據(jù)大信號(hào)信噪比SNR_Big確定Fernald反演算法要求的最小信噪比距離R_Big，i；根據(jù)小信號(hào)信噪比SNR_small確定Fernald反演算法要求的最小信噪比距離R_small，i；

(5)采用最小二乘法，將第(2)中得到的R_i和第(4)中得到的R_Big，i和R_small，i確定線性擬合范圍R_min和R_max；

(6)采用滑動(dòng)窗口的方法，對(duì)大信號(hào)和小信號(hào)分別取一定窗口寬度L，窗口寬度小于等于50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，由于前放電路對(duì)于大信號(hào)有一定的延遲，大信號(hào)窗口數(shù)值往后移動(dòng)4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(7)利用最小二乘法將有效小信號(hào)P_small(R)線性擬合到有效大信號(hào)P_Big(R)，計(jì)算二者的相關(guān)系數(shù)δ_i和線性系數(shù)αi和bi，其中，P_Big(R)＝α_i*P_small(R)+b_i；

(8)如果第(6)中得到的δ_i大于設(shè)定的閾值δ_th，那么將上述窗口寬度之前的小信號(hào)P_small(R)采用線性系數(shù)αi和b_i擬合賦值給拼接信號(hào)P_Matched，窗口寬度之后將P_Big(R)賦值給拼接信號(hào)P_Matched；

(9)如果第(6)中得到δ_i不滿足設(shè)定的閾值δ_th，將窗口寬度L減小一個(gè)，重復(fù)第(6)、(7)、(8)直至滿足要求，窗口寬度不低于10，如果窗口寬度達(dá)到10且仍然沒(méi)有找到一個(gè)好的拼接區(qū)域，那么直接采用小信號(hào)；

(10)對(duì)拼接信號(hào)P_Matched進(jìn)行距離校正，有S(R)＝P_Matched·R²；

(11)將S(R)代入Fernald后向積分方程，即可得到信噪比提升的如圖7所的示消光系數(shù)。