[发明专利]一种用于水云反演的高光谱分辨率激光雷达视场择优方法

说明书

本发明公开了一种用于水云反演的高光谱分辨率激光雷达视场择优方法，包括：建立水云散射相矩阵与有效半径关系的查找表；仿真得到不同视场角下的大气分子瑞利散射信号；微调水云参数，重新仿真得到一组不同视场角的回波信号；通过微调前后信号和水云参数差值，计算不同视场角下的回波信号对水云参数的灵敏度；选取回波信号分别对水云有效半径和消光系数的灵敏度最高的两个视场角参数，作为用于水云反演的双视场高光谱分辨率激光雷达的最优视场；采用最优视场设置进行水云信号观测，对信号迭代反演得到精确的水云参数。利用本发明，能够为用于水云反演的双视场高光谱分辨率激光雷达选取最优的视场角参数，实现水云的精确反演。

技术领域

本发明属于大气云遥感激光雷达技术领域，尤其是涉及一种用于水云反演的高光谱分辨率激光雷达视场择优方法。

背景技术

云覆盖了地球表面天空50％以上的面积，它在地球大气水循环、气候变化以及地球辐射等各个方面都起到了至关重要的作用。云-气溶胶-辐射相互作用是目前气候变化不确定性的主要来源，其一方面是由于大气相互作用本身是比较复杂的系统，另一方面是由于缺少云及气溶胶的有效监测数据。在低纬度地区，大气温度较高，云中出现冰水共存的机会较少,常形成水云。我国南方夏季的浓积云、层积云多属于这种云，这类云对于大气辐射、雷电、降水等大气过程有十分重要的作用。

激光雷达具有高时空分辨率、高探测精度、全天时观测的优点，在大气云及气溶胶的探测中得到了广泛的应用。然而受到水云的多次散射效应的影响，激光雷达无法精确反演水云的单次散射光学特性与微物理特性。因此，如何精确模拟水云的多次散射信号，从中获取水云高精度的光学及微物理特性反演，是目前激光雷达水云反演研究中亟需解决的关键问题。水云有效半径和消光系数是对于水云反演最为重要的参数，有效半径描述了云滴粒子的大小，消光系数描述了水云对光的散射特性，通过水云有效半径和消光系数可以进一步分析如激光雷达比、数浓度和液态水含量等其他水云的关键光学及微物理特性。

目前使用激光雷达的水云反演方法主要有两类，一类是基于偏振米散射激光雷达的水云反演，其利用水云多次散射引起的退偏振效应，构建了偏振米散射激光雷达探测的水云回波信号与水云有效半径及消光系数之间的查找表，并基于最优化反演理论，实现了水云的有效半径及消光系数的有效反演，但其反演值存在着高估的情况；另一类是采用多视场米散射或拉曼散射激光雷达来进行水云反演，其主要利用了水云多次散射强度随视场角的变化规律，然而前者由于云粒子后向散射的不均匀性难以进行精确反演，后者难以在白天进行观测。因此目前激光雷达的水云反演方法均存在一定问题，限制了激光雷达对水云的精确反演的应用。

发明内容

针对现有激光雷达反演水云方法的不足，本发明提供了一种用于水云反演的高光谱分辨率激光雷达视场择优方法，可以实现全天时高精度的水云有效半径和消光系数反演，通过这两个水云关键参数不仅可以分析云滴粒子的大小、水云的光散射特性等，还可以进一步分析如激光雷达比、云滴数浓度和液态水含量等其他水云的关键光学及微物理特性。

相比于米散射激光雷达，高光谱分辨率激光雷达利用光谱鉴频器将大气颗粒米散射信号和分子瑞利散射信号分离，故能通过前向计算模型结合云的前向散射特性和大气分子的均匀后向散射特性仿真得到精确的大气分子瑞利散射信号，以进行水云特性的反演；相比于拉曼散射激光雷达，高光谱分辨率激光雷达可在白天进行观测，从而实现全天时高精度的水云参数反演。

一种用于水云反演的高光谱分辨率激光雷达视场择优方法，使用双视场高光谱分辨率激光雷达系统用于水云反演，包括以下步骤：

(1)输入一系列不同的水云有效半径参数，计算得到对应的水云散射相矩阵，建立水云散射相矩阵与有效半径参数关系的查找表；

(2)设定不同的高光谱分辨率激光雷达视场角参数，根据实际系统设置输入其它硬件参数与水云散射相矩阵、消光系数及空间高度参数，利用前向计算模型仿真得到不同接收视场角下的大气分子瑞利散射信号；