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

背景技術(shù)：

激光雷達是探測大氣時空分布研究領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，激光雷達具有高空間和時間分辨率，允許各種條件下進行大氣觀測，探測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，除了探測痕量氣體、氣溶膠、云，還可以探測大氣基本參量如溫度、壓力、濕度、風，激光雷達可以監(jiān)測數(shù)立方米、數(shù)秒乃至全球、數(shù)年的大氣變化過程，激光雷達已經(jīng)被應(yīng)用于湍流過程、邊界層的晝夜變化、水汽與臭氧通量探測，激光雷達可以監(jiān)測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所探測，激光雷達可以用來區(qū)分云中的水滴和冰晶，激光雷達有助于人們理解氣溶膠的氣候效應(yīng)，激光雷達監(jiān)測到了因大規(guī)?；鹕奖l(fā)導致的平流層擾動、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)測中，最成熟也是應(yīng)用最廣泛的是米散射激光雷達，相對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，回波信號相對較強，利用美國標準大氣對激光雷達米散射回波信號進行模擬，可知米散射回波信號動態(tài)范圍非常大高達8個數(shù)量級，這給激光雷達回波信號采集系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大困難，因此在使用模擬采集時很容易造成近場飽和與遠場信噪比不夠的情況，前放電路對于光電探測器的輸出信號進行一定倍數(shù)放大，很容易造成近場信號飽和及遠場信號信噪比不足。

技術(shù)實現(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數(shù)據(jù)拼接方法，以解決米散射激光雷達在模擬采集下近場飽和和遠場信噪比不夠的問題，擴大激光雷達動態(tài)探測范圍，為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

該方法通過計算大信號和小信號的信噪比，在大信號和小信號信噪比均較高的區(qū)域進行線性擬合，進而得到近場不飽和及遠場信噪比較高的拼接信號,該激光雷達數(shù)據(jù)拼接方法擴大了激光雷達模擬采集下的動態(tài)探測范圍，可廣泛應(yīng)用于米散射激光雷達對于大氣污染物的探測,主要步驟如下：

(1)米散射激光雷達后向散射回波信號對應(yīng)的激光雷達方程為：

其中：P(R)為激光雷達接收到距離R處的后向散射回波信號(W)；

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

(3)根據(jù)激光雷達信噪比計算公式，得到大信號信噪比SNR_Big和小信號信噪比SNR_small，

其中，N_s為激光雷達米散射回波信號的光子計數(shù)，N_b為對應(yīng)的光背景噪聲，N_d為暗計數(shù)，n為測量次數(shù)；

(4)根據(jù)大信號信噪比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)采用滑動窗口的方法，對大信號和小信號分別取一定窗口寬度L，窗口寬度小于等于50個數(shù)據(jù)點，由于前放電路對于大信號有一定的延遲，大信號窗口數(shù)值往后移動4個數(shù)據(jù)點；

(7)利用最小二乘法將有效小信號P_small(R)線性擬合到有效大信號P_Big(R)，計算二者 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P_small(R)采用線性系數(shù)α_i和b_i擬合賦值給拼接信號P_Matched，窗口寬度之后將P_Big(R)賦值給拼接信號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，重復第(6)、(7)、(8)直至滿足要求，窗口寬度不低于10，如果窗口寬度達到10且仍然沒有找到一個好的拼接區(qū)域，那么直接采用小信號；

(10)對拼接信號P_Matched進行距離校正，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)明對光電探測器的輸出信號采取分別放大，然后動態(tài)拼接的方法(稱放大倍數(shù)較大的信號為大信號，放大倍數(shù)較小的為小信號)，該方法通過計算大信號和小信號的信噪比，在大信號和小信號信噪比均較高的區(qū)域進行線性擬合，進而得到近場不飽和及遠場信噪比較高的拼接信號，能夠補償一定硬件條件下，小信號遠端信噪比不夠及大信號近端飽和的缺點,該激光雷達數(shù)據(jù)拼接方法擴大了激光雷達模擬采集下的動態(tài)探測范圍，本發(fā)明可以適用于大氣遙感雙視場激光雷達信號的拼接；本發(fā)明除了可以對高空的激光雷達模擬采集信號進行處理分析，還可用于大氣顆粒物回波信號的水平測量；本發(fā)明的計算流程能夠無人值守，可以自動反演測量。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明方法實現(xiàn)的流程圖；

圖3描述了小信號、大信號及拼接信號；

圖4顯示為小信號、大信號及拼接信號的近場情況；

圖5描述了小信號、大信號及拼接信號的遠場情況的數(shù)據(jù)示意圖

圖6為小信號及拼接信號信噪比的示意圖；

圖7為將拼接信號代入Fernald方法求解得到的消光系數(shù)；

圖中，Num的單位為Km。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合一次具體的數(shù)據(jù)做進一 步的詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性事例用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。

采用米散射激光雷達進行顆粒物檢測，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，激光器擴束鏡等其他光學單元構(gòu)成了激光發(fā)射系統(tǒng)；

望遠鏡、反射鏡、光電探測器PMT以及信號采集幾個模塊構(gòu)成了接收系統(tǒng)；

利用計算機、邏輯電路及運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、回波信號接收、放大和數(shù)據(jù)采集的有序進行并對數(shù)據(jù)進行實時處理與顯示。

采用圖1所示的硬件進行顆粒物數(shù)據(jù)采集，利用控制系統(tǒng)進行米散射激光雷達數(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，米散射激光雷達后向散射回波信號對應(yīng)的激光雷達方程為：

其中：P(R)為激光雷達接收到距離R處的后向散射回波信號(W)；

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

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

其中，N_s為激光雷達米散射回波信號的光子計數(shù)，N_b為對應(yīng)的光背景噪聲，N_d為暗計數(shù)， n為測量次數(shù)；

(4)根據(jù)大信號信噪比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)采用滑動窗口的方法，對大信號和小信號分別取一定窗口寬度L，窗口寬度小于等于50個數(shù)據(jù)點，由于前放電路對于大信號有一定的延遲，大信號窗口數(shù)值往后移動4個數(shù)據(jù)點；

(7)利用最小二乘法將有效小信號P_small(R)線性擬合到有效大信號P_Big(R)，計算二者的相關(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P_small(R)采用線性系數(shù)αi和b_i擬合賦值給拼接信號P_Matched，窗口寬度之后將P_Big(R)賦值給拼接信號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，重復第(6)、(7)、(8)直至滿足要求，窗口寬度不低于10，如果窗口寬度達到10且仍然沒有找到一個好的拼接區(qū)域，那么直接采用小信號；

(10)對拼接信號P_Matched進行距離校正，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)。