[发明专利]基于多种地基遥感技术获取城市气溶胶复折射指数的方法

摘要

本发明涉及一种基于多种地基遥感技术获取城市气溶胶复折射指数的方法，首先利用拉曼激光雷达回波信号，经过算法反演后，获得气溶胶消光系数和散射消光比，并对一定路径的消光系数进行积分，获得该路径上的气溶胶光学厚度；根据蒙特卡罗原则，利用太阳光度计所获的大气整层气溶胶光学厚度与激光雷达获取的气溶胶光学厚度进行迭代比对，不断修正消光系数和散射消光比；然后通过粒谱仪获取气溶胶粒谱分布；最后利用已知气溶胶散射消光比和气溶胶粒谱分布，根据米散射模型，获得城市气溶胶复折射指数。本发明利用拉曼激光雷达、太阳光度计和粒谱仪获取的城市气溶胶复折射指数，具有误差小，鉴别力高、普适性强的优点。

主权项

1.一种基于多种地基遥感技术获取城市气溶胶复折射指数的方法，其特征在于：首先利用拉曼激光雷达回波信号，经过算法反演后获得气溶胶消光系数和散射消光比，并对一定路径的消光系数进行积分，获得该路径上的气溶胶光学厚度；然后根据蒙特卡罗原则，利用太阳光度计所获的大气整层气溶胶光学厚度与激光雷达获取的气溶胶光学厚度进行迭代比对，不断修正消光系数和散射消光比；通过粒谱仪获取气溶胶粒谱分布，最后利用已知气溶胶散射消光比和气溶胶粒谱分布，根据米散射模型，获得城市气溶胶复折射指数，具体算法步骤为：（1）单波长氮拉曼散射激光雷达的回波方程以表示为：PλR(z)=KλRO(z)NR(z)z-2NR(z)dσλR(π)dΩexp{-∫0z[αλ0mol(ζ)+αλ0aer(ζ)+αλRmol(ζ)+αλRaer(ζ)]dζ}---(1)]]>其中，为拉曼激光雷达所接收的距离z处波长λ_R的氮气拉曼后向散射信号，为拉曼激光雷达系统常数，O(z)为几何重叠因子函数，N_R(z) 为大气中氮气数密度，是距离独立的氮气分子拉曼后向散射微分截面；λ₀为激光发射波长，和为高度z处激光发射波长的大气分子和气溶胶的消光系数，上标mol和aer分别表示气溶胶和大气分子的消光系数；和分别为高度z处大气分子和气溶胶的消光系数；（2）利用Ansmann法进行基于拉曼激光雷达的气溶胶消光系数反演，获取高度Z处的消光系数和散射系数；（3）利用公式（2）获取气溶胶散射消光比BER；（4）利用公式（3）  获取大气整层气溶胶光学厚度τ_lidar；（5）根据Bouguer 定律，太阳光度计测得的直射太阳辐射E（W/m2）在特定波长上表示为：E=R^-2exp(-mτ)T_g                        （4）其中E₀ 是在一个天文单位（AU）距离上的大气外界的太阳辐照度，R是测量时刻的日地距离（AU），m 是大气质量数，τ为大气总的垂直光学厚度，T_g为吸收气体透过率；（6）获取基于太阳光度计的大气光学厚度τ：若仪器输出电压V 与E 成正比，则公式（4）可写成：V=V₀R^-2exp(-mτ)T_g                                       （5）其中V₀是定标常数，指从一系列观测值外插到m为0时的电压值V，由lnV+lnR² 与m 画直线，直线的斜率就是垂直光学厚度-τ；（7）获取基于太阳光度计的气溶胶光学厚度τ_α：大气总的消光光学厚度τ由分子散射τ_r、气溶胶散射τ_α和气体吸收消光τ_g三部分组成：τ=τ_r+τ_α+τ_g        （6）其中分子散射光学厚度τ_r 由地面气压测值计算出来，在可见近红外波段气体吸收主要是臭氧和水汽的吸收，在没有气体吸收的通道，τ_g可以忽略，那么从总的光学厚度减去分子散射光学厚度τ_r，可获得气溶胶的光学厚度τ_α；（8）利用蒙特卡罗方法，将激光雷达获取的光学厚度τ_lidar与太阳光度计获得的光学厚度τ_α进行迭代比对，当满足条件|τ_lidar-τ_α|＜^-4时，输出气溶胶散射消光值BER；如果不满足，则将算出的BER值作为拉曼雷达方程的新输入，开始又一次迭代，直至条件满足；（9） 如此进行迭代计算，直至最后搜索出满足条件的所有BER值；（10）利用粒谱仪获得气溶胶粒谱分布；（11）选择波段355nm，假设一定的折射率，利用获得的粒谱数据，通过Mie模型计算出消光系数α_cal和散射消光比BER_cal；（12）将计算出来的α_cal、BER_cal和雷达测量获得的和BER结果进行对比，如果在一定的误差范围内相近或相同，则计算中假设的折射率就是气溶胶的实际复折射指数。