一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法

摘要

本发明公开了一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法。其基本原理为：利用一台相干测风激光雷达，获取载噪比垂直廓线；对信号归一化后，利用小波协方差变换处理信号；找出小波变换后极大值对应的高度作为大气边界层顶的高度。与现有算法相比，仅使用相干测风激光雷达也能获取高时间分辨率的静力学大气边界层高度，结合风场反演获取的动力学大气边界层高度，有助于气候模型、天气预报模型、大气污染扩散模型精度的进一步提高。

权利要求

1.一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法，其特征在于：所述相干测风激光雷达包括：连续激光器(1)、分束器(2)、声光调制器(3)、光纤放大器(4)、环形器(5)、望远镜(6)、耦合器(7)、平衡探测器(8)、模拟采集卡(9)、计算机(10)；

连续激光器(1)的输出端与分束器(2)的输入端连接，分束器(2)的第一输出端与声光调制器(3)的输入端连接，分束器(2)的第二输出端与耦合器(7)的第一输入端连接，声光调制器(3)的输出端与光纤放大器(4)的输入端连接，光纤放大器(4)的输出端与环形器(5)的输入端连接，环形器(5)的收发端与望远镜连接，环形器(5)的输出端与耦合器(7)的第二输入端连接，耦合器(7)的输出端与探测器(8)连接，探测器(8)的输出端与模拟采集卡(9)连接，模拟采集卡(9)与计算机(10)连接；

所述方法包括：

步骤一：相干测风激光雷达观测，获取测量得到的垂直方向的载噪比CNR廓线；

步骤二：将获得的CNR廓线归一化处理得到归一化的CNR廓线f(z)；

步骤三：对归一化后的CNR廓线f(z)进行小波协方差变换得到协方差函数Wf(a，b)；

步骤四：找出协方差函数Wf(a，b)最大值所对应的高度，得到大气边界层顶的高度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，相干测风激光雷达观测，获取测量得到的垂直方向的载噪比CNR廓线；包括：相干测风激光雷达进行垂直探测获取载噪比垂直廓线，或者斜向探测获取载噪比廓线的垂直分量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，对归一化后的CNR廓线f(z)进行小波协方差变换得到协方差函数Wf(a，b)，包括：协方差函数为

小波基使用Haar函数：

式中，zt和zb分别为边界层反演中计算范围的上边界和下边界，a为Haar小波缩放系数，b为Haar函数中心位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中，找出协方差函数Wf(a，b)最大值所对应的高度之前，还包括：进行云层识别，去除云层信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，云层识别的方法包括阈值法，所述阈值法为：将f(z)与预设的云层强散射信号阈值比较，若f(z)大于或等于所述云层强散射信号阈值，则判定该信号为云层信号。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，云层识别的方法包括云底云顶梯度结合判定法，所述云底云顶梯度结合判定法为：计算f(z)的梯度，判断f(z)的梯度正极大值和负极大值之间的空间间隔小于预设的间隔阈值，则判定f(z)的梯度正极大值和负极大值之间为云层信号。

说明书

一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及大气探测领域，尤其涉及一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法。

背景技术

[0002] 近几十年，随着社会经济的高速发展，空气污染愈发严重。尤其是以气溶胶细颗粒物(PM2.5)等悬浮颗粒物导致的灰霾天气，对人类健康安全和环境有着巨大的威胁。而PM2.5的时空分布则主要受到大气边界层的影响。大气边界层，也被称为行星边界层，是大气污染控制，数值天气预报，城市和农业气象，航空气象和水文学领域中的关键区域。大气边界层高度，也被称作大气边界层厚度，是边界层顶部的高度，是表征大气边界层的基本参数，被广泛应用于全球大气气候模式和大气污染扩散模型中。因而对大气边界层高度的反演，对空气质量预测与大气污染控制有着重要作用。

[0003] 在大气边界层之内，大气由于湍流作用而垂直混合均匀。由此造成气溶胶密度，大气痕量气体，湿度，位温和湍流等在边界层顶部附近的显著变化。据此即可反演出大气边界层高度。传统上对大气边界层高度的探测主要包括使用探空气球等探测方式。但探空气球无法进行不间断测量，时间分辨率低，难以满足日益增加的预报精度要求。近年来，相干测风激光雷达被广泛用于机场、气象站等地大气边界层风场探测。

[0004] 本发明的发明人经过研究发现：相干测风激光雷达进行风场探测时给出的载噪比(carrier to noise ratio,CNR)一定程度上反映了大气气溶胶的分布状态，也可以用于静力学大气边界层高度的反演，区别于利用垂直风速方差以及湍流耗散率等进行的动力学大气边界层高度的反演。传统使用相干激光雷达CNR反演边界层高度的方法有方差法和阈值法。方差法是根据给定时间窗内CNR的方差的变化求解边界层高度，但此方法时间分辨率相对较低，不能充分利用激光雷达的高时间分辨率。阈值法是根据CNR垂直廓线的阈值判定边界层高度，在不同天气状态下，误差较大。

发明内容

[0005] 鉴于此，本发明提出一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法，使得在仅使用一台相干测风激光雷达的基础上，就能实现大气风场和边界层高度的同时探测，对于污染扩散建模和空气质量预测有着潜在的重要意义。

[0006] 本发明的目的在于提供一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法，旨在解决仅有相干测风激光雷达探测时提供高时间分辨率的边界层高度反演结果。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0008] 一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法，所述相干测风激光雷达包括：连续激光器、分束器、声光调制器、光纤放大器、环形器、望远镜、耦合器、平衡探测器、模拟采集卡、计算机；

[0009] 连续激光器的输出端与分束器的输入端连接，分束器的第一输出端与声光调制器的输入端连接，分束器的第二输出端与耦合器的第一输入端连接，声光调制器的输出端与光纤放大器的输入端连接，光纤放大器的输出端与环形器的输入端连接，环形器的收发端与望远镜连接，环形器的输出端与耦合器的第二输入端连接，耦合器的输出端与探测器连接，探测器的输出端与模拟采集卡连接，模拟采集卡与计算机连接；

[0010] 所述方法包括：

[0011] 步骤一：相干测风激光雷达观测，获取测量得到的垂直方向的载噪比CNR廓线；

[0012] 步骤二：将获得的CNR廓线归一化处理得到归一化的CNR廓线f(z)；

[0013] 步骤三：对归一化后的CNR廓线f(z)进行小波协方差变换得到协方差函数Wf(a，b)；

[0014] 步骤四：找出协方差函数Wf(a，b)最大值所对应的高度，得到大气边界层顶的高度。

[0015] 进一步的，步骤一中，相干测风激光雷达观测，获取测量得到的垂直方向的载噪比CNR廓线；包括：

[0016] 相干测风激光雷达进行垂直探测获取载噪比垂直廓线，或者斜向探测获取载噪比廓线的垂直分量。

[0017] 进一步的，步骤三中，对归一化后的CNR廓线f(z)进行小波协方差变换得到协方差函数Wf(a，b)，包括：

[0018] 协方差函数为

[0019]

[0020] 小波基使用Haar函数：

[0021]

[0022] 式中，zt和zb分别为边界层反演中计算范围的上边界和下边界，a为Haar小波缩放系数，b为Haar函数中心位置。

[0023] 进一步的，步骤四中，找出协方差函数Wf(a，b)最大值所对应的高度之前，还包括：

[0024] 进行云层识别，去除云层信号。

[0025] 进一步的，云层识别的方法包括阈值法，所述阈值法为：将f(z)与预设的云层强散射信号阈值比较，若f(z)大于或等于所述云层强散射信号阈值，则判定该信号为云层信号。

[0026] 进一步的，云层识别的方法包括云底云顶梯度结合判定法，所述云底云顶梯度结合判定法为：计算f(z)的梯度，判断f(z)的梯度正极大值和负极大值之间的空间间隔小于预设的间隔阈值，则判定f(z)的梯度正极大值和负极大值之间为云层信号。

[0027] 本发明提供的一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法具有如下有益效果：

[0028] (1)仅使用相干测风激光雷达载噪比即可进行静力学大气边界层高度反演，实现了单台相干测风激光雷达对于大气风场和大气边界层高度的同时测量，免去了气溶胶激光雷达或是云高仪的使用，降低了成本，更便于运行与维护。

[0029] (2)本发明使用的小波算法相比于传统的阈值算法或是方差算法，具有时空分辨率高，精度高等特点。

附图说明

[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明进行附图说明。

[0031] 图1为本发明使用的相干测风激光雷达示意图。

[0032] 图2为本发明提出的基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法的流程图。

[0033] 图3是本发明实施例提供的大气边界层高度求解结果及其与气溶胶激光雷达结果比较的示意图。相应数据为相干测风激光雷达和气溶胶激光雷达实测的一组数据。

具体实施方式

[0034] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0035] 实施例

[0036] 本发明公开了一种基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法。

[0037] 如图1所示，所述相干测风激光雷达包括：连续激光器1、分束器2、声光调制器3、光纤放大器4、环形器5、望远镜6、耦合器7、平衡探测器8、模拟采集卡9、计算机10；

[0038] 连续激光器1的输出端与分束器2的输入端连接，分束器2的第一输出端与声光调制器3的输入端连接，分束器2的第二输出端与耦合器7的第一输入端连接，声光调制器3的输出端与光纤放大器4的输入端连接，光纤放大器4的输出端与环形器5的输入端连接，环形器5的收发端与望远镜6连接，环形器5的输出端与耦合器7的第二输入端连接，耦合器7的输出端与探测器8连接，探测器8的输出端与模拟采集卡9连接，模拟采集卡9与计算机10连接。

[0039] 本发明的基本原理为：相干测风激光雷达载噪比与气溶胶分布相关，载噪比廓线在边界层顶附近会突然减小，利用小波协方差变换找出载噪比突然减小的高度，即是对应的边界层高度。

[0040] 结合图2，本发明基于相干测风激光雷达载噪比反演边界层高度的方法，包括：

[0041] 步骤一：相干测风激光雷达观测，获取测量得到的垂直方向的载噪比CNR廓线。

[0042] 特别的，上述方法中，观测包括连续不间断观测和间断观测。

[0043] 可选的，每组廓线的观测时间根据用户需求决定，2秒至1小时均可。为了同时满足高时间分辨率需求以及去掉湍流和噪音的影响，以分钟量级为优。

[0044] 可选的，在上述方法中，可以进行仰角足够大(大于45度)的斜向观测。将距离换算为高度后，即可将其按照垂直观测等同处理。

[0045] 步骤二：将获得的CNR廓线归一化处理得到归一化的CNR廓线f(z)。

[0046] 归一化是指，对预定区域内的信号，减去最小值之后，除以新的最大值，从而使信号数值位于[0,1]区间。

[0047] 归一化之后更关注边界层顶气溶胶含量迅速降低的趋势，在后续处理中可以避免不同气溶胶环境因强弱差异对反演结果造成的影响，如使用阈值判定时可去除不同强弱信号的影响。

[0048] 步骤三：对归一化后的CNR廓线f(z)进行小波协方差变换得到协方差函数Wf(a，b)；

[0049] 具体的，其中，协方差函数为

[0050]

[0051] 小波基使用Haar函数：

[0052]

[0053] 式中，zt和zb分别为边界层反演中计算范围的上边界和下边界，a为Haar小波缩放系数，b为Haar函数中心位置。

[0054] 可选的，缩放系数a根据激光雷达垂直分辨率以及当地气溶胶分布的地理特征和季节特征决定。通常取为固定值，如本文实施例所取250米；也可取为跟随高度变化的函数。

[0055] 可选的，Haar小波基也可用其他小波基替代，如Mexican Hat小波函数等。其中，Mexican Hat小波函数为：

[0056]

[0057] 步骤四：找出协方差函数Wf(a，b)最大值所对应的高度，得到大气边界层顶的高度。

[0058] 可选的，找出协方差函数Wf(a，b)最大值所对应的高度之前，还包括：进行云层识别，去除云层信号。

[0059] 即，可在步骤4中加入云识别算法以去除云层信号。

[0060] 具体的，云层识别的方法包括阈值法，所述阈值法为：将f(z)与预设的云层强散射信号阈值比较，若f(z)大于或等于所述云层强散射信号阈值，则判定该信号为云层信号。

[0061] 可替换的，云层识别的方法包括云底云顶梯度结合判定法，所述云底云顶梯度结合判定法为：计算f(z)的梯度，判断f(z)的梯度正极大值和负极大值之间的空间间隔小于预设的间隔阈值，则判定f(z)的梯度正极大值和负极大值之间为云层信号。

[0062] 下面以一个具体的测量数据解释本发明的方法。

[0063] S1，获取一组相干测风激光雷达的实测载噪比垂直廓线，作为本实施例的样本数据。同时获取作为对照组的气溶胶激光雷达距离修正光子计数。

[0064] S2，将相应垂直廓线归一化处理，如图3左图所示。

[0065] S3，对相应廓线进行小波协方差变化，本实施例使用Haar小波函数，如图3右图所示。

[0066] S4，通过云层识别排除云层干扰后，通过协方差结果找到载噪比迅速下降的位置，即Haar小波协方差最大值对应的高度，如图3中红色和蓝色圆圈标示高度，即为大气边界层高度值。其中云层识别包括使用阈值法，云底云顶梯度结合判定法等基于云层强散射信号阈值判定或者基于云底云顶散射信号的剧烈变化(即梯度在云底处极大，在云顶处极小)从而判定云层的方法。

[0067] 图3为同一时间分别利用相干测风激光雷达和气溶胶激光雷达反演大气边界层高度示意图。可以看到，尽管相干测风激光雷达展示的气溶胶垂直结构细节不如气溶胶激光雷达风度，但由相干测风激光雷达载噪比反演出的大气边界层高度与气溶胶激光雷达距离修正光子计数反演出的大气边界层高度数值相当，具有很好的一致性。

[0068] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。