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专利号: 2022108086128
申请人: 南京晓庄学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-08-18
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制方法,其特征在于,包括:光子计数数据质量控制和激光雷达数据产品质量控制,其中,光子计数数据质量控制具体包括以下步骤:

步骤SA1、将钠荧光多普勒激光雷达获得的三个探测方向的原始回波信号分别进行高度校正、钠层信噪比检测、参考高度瑞利信号信噪比检测、激光频率稳定性检测及坏数据剔除;

其中,三个探测方向分别为天顶、天顶偏东/西和天顶偏北/南,每个探测方向均获得三个工作频率对应的三组原始回波信号,三个探测方向对应获得九组原始回波信号;三个工作频率分别为峰值工作频率f0、右侧翼工作频率f+=f0+δf和左侧翼工作频率f‑=f0‑δf,δf为频移量;

步骤SA2、将步骤SA1处理后的三个探测方向的九组回波信号分别进行光子计数线性度检测及校正;

步骤SA3、对步骤SA2校正后的三个探测方向的九组回波信号分别进行滤光器透射率校正;

步骤SA4、对步骤SA3滤光器透射率校正后的三个探测方向的九组回波信号分别计算得到三个探测方向的三组钠层温度比值,并分别进行温度比值检测及异常值剔除;

步骤SA5、对步骤SA3滤光器透射率校正后的三个探测方向的九组回波信号分别计算得到三个探测方向的三组钠层风速比值,并进行风速比值检测及异常值剔除;

激光雷达数据产品质量控制具体包括以下步骤:

步骤SB1、利用步骤SA4获得的异常值剔除后的天顶方向的钠层温度比值和步骤SA5获得的异常值剔除后的天顶方向的钠层风速比值,对天顶方向风速廓线进行检测及异常值剔除;

步骤SB2、利用钠层回波信号、高空背景信号平均值、参考高度瑞利信号平均值、异常值剔除后的钠层温度比值和异常值剔除后的钠层风速比值,对温度探测误差进行检测及不可靠值剔除;

步骤SB3、利用钠层回波信号、高空背景信号平均值、参考高度瑞利信号平均值、异常值剔除后的天顶方向的钠层温度比值和异常值剔除后的天顶方向的钠层风速比值,对风速探测误差进行检测及不可靠值剔除。

2.根据权利要求1所述的一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制方法,其特征在于,步骤SA1中高度校正具体为:校正后天顶方向的探测高度为Hd0=Hd0’+H0,Hd0’为激光雷达存储的天顶探测方向的原始回波信号中的距离数据列,H0为观测站点海拔高度;校正后天顶偏东/西方向的探测高度为Hd1=Hd1’×cos(θ1)+H0,Hd1’为激光雷达存储的天顶偏东/西探测方向的原始回波信号中的距离数据列,θ1为天顶偏东/西探测方向的方位角;校正后天顶偏南/北方向的探测高度为Hd2=Hd2’×cos(θ2)+H0,Hd2’为激光雷达存储的天顶偏南/北探测方向的原始回波信号中的距离数据列,θ2为天顶偏南/北探测方向的方位角;

钠层信噪比检测具体为:

计算每个探测方向对应的钠层回波信号峰值的信噪比SNR_Na(d,f),计算公式为:SNR_Na(d,f)=(Np_Na(d,f)‑Nb(d,f))/B_Na(d,f)其中,Np_Na(d,f)为钠层回波信号的峰值光子计数值,Nb(d,f)为高空段背景的平均光子数值,B_Na(d,f)为计数统计噪声,参考高度瑞利信号信噪比检测具体为:

计算每个探测方向对应的回波信号中参考高度瑞利散射回波信号的信号‑高空背景比值SNR_RayH(d,f)、信号‑低空背景比值SNR_RayL(d,f)和信噪比SNR_Ray(d,f),计算公式分别为:SNR_RayH(d,f)=Nm_Ray(d,f)/Nb(d,f)

SNR_RayL(d,f)=Nm_Ray(d,f)/Nb_L(d,f)

SNR_Ray(d,f)=(Nm_Ray(d,f)‑Nb(d,f))/B_Ray(d,f)其中,Nm_Ray(d,f)为参考高度瑞利散射回波信号平均光子计数值,Nb_L(d,f)为低空段背景的平均光子计数值,B_Ray(d,f)为参考高度瑞利信号计数统计噪声,激光频率稳定性检测具体为:计算每个探测方向中峰值工作频率f0和右侧翼工作频率f+、左侧翼工作频率f‑分别对应的回波信号中钠层峰值附近高度范围内钠层光子数平均值Nm(h_na0,d,f0),Nm(h_na0,d,f+),Nm(h_na0,d,f‑);

坏数据剔除具体为:

将SNR_Na(d,f)<P1或SNR_Ray(d,f)<P2或SNR_RayH(d,f)<P3或SNR_RayL(d,f)<P4或Nm(h_na0,d,f+)>Nm(h_na0,d,f0)或Nm(h_na0,d,f‑)>Nm(h_na0,d,f0)的文件剔除,P1、P2、P3、P4分别为设置的钠层信噪比阈值、瑞利信噪比阈值、瑞利信号‑高空背景比值阈值、瑞利‑低空背景比值阈值。

3.根据权利要求1所述的一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制方法,其特征在于,步骤SA2具体为:计算步骤SA1处理后的三个探测方向的九组回波信号中每个光子计数值N(h,d,f)对应的光子计数率R(h,d,f),计算公式为:R(h,d,f)=N(h,d,f)/(tb×M/3)

其中,tb为计数门宽,M为累积脉冲数;

并将光子计数率R(h,d,f)与光电倍增管的线性计数率阈值R0进行比较,若R(h,d,f)>R0,则令Nc(h,d,f)=Rc(h,d,f)×tb×M/3,否则Nc(h,d,f)=N(h,d,f);

其中,Nc(h,d,f)为非线性校正后的光子计数值;Rc(h,d,f)=f{R(h,d,f)}为非线性校正后的光子计数率,f为实验室测量的光电倍增管输入计数率‑输出计数率曲线对应的函数关系。

4.根据权利要求1所述的一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制方法,其特征在于,步骤SA3具体为:测量白天通道中原子滤光器对三个工作频率对应的参考高度瑞利回波信号透过率T_Ray(f)和钠层回波信号的透过率T_Na(f);

对白天通道的回波信号,令参考高度校正系数C_Ray(f)=T_Ray(f),钠层校正系数C_Na(f)=T_Na(f);对夜间通道的回波信号,令参考高度校正系数C_Ray(f)=1,钠层校正系数C_Na(f)=1;

将步骤SA2处理后的非线性校正后的光子计数值Nc(h,d,f)进行一定的高度和时间积分,得到合并信号∑N(h,d,f);

选取合并信号∑N(h,d,f)的钠层高度段信号,得到钠层回波信号∑N(h_na,d,f);

对钠层回波信号∑N(h_na,d,f)进行参考高度瑞利信号归一化,得到归一化钠层回波信号Nnorm(h_na,d,f),公式为:Nnorm(h_na,d,f)=(∑N(h_na,d,f)‑Nm(h_b,d,f))/(Nm(h_ray,d,f)‑Nm(h_b,d,f))其中,Nm(h_b,d,f)为高空背景信号平均值,Nm(h_ray,d,f)为参考高度瑞利信号平均值;

利用参考高度校正系数和钠层校正系数对归一化钠层回波信号Nnorm(h_na,d,f)进行滤光器透射率校正,得到滤光器校正后的钠层回波信号Ncor(h_na,d,f),即:Ncor(h_na,d,f)=Nnorm(h_na,d,f)×C_Ray(f)/C_Na(f)。

5.根据权利要求1所述的一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制方法,其特征在于,步骤SA4中具体为:分别计算三个探测方向的钠层温度比值,钠层温度比值RT(h_na,d)计算公式为:其中,Ncor(h_na,d,f0)为滤光器校正后的峰值工作频率f0对应的钠层回波信号,Ncor(h_na,d,f+)为滤光器校正后的右侧翼工作频率f+对应的钠层回波信号,Ncor(h_na,d,f‑)为滤光器校正后的右侧翼工作频率f‑对应的钠层回波信号;

若RT(h_na,d)<RTmin或RT(h_na,d)>RTmax,则将对应的RT(h_na,d)剔除;RTmin和RTmax分别为温度比值的最小阈值和最大阈值。

6.根据权利要求1所述的一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制方法,其特征在于,步骤SA5具体为:利用上述步骤SA3得到的Ncor(h_na,d,f),分别计算三个方向的钠层风速比值,钠层风速比值Rw(h_na,d)计算公式为:其中,Ncor(h_na,d,f0)为滤光器校正后的峰值工作频率f0对应的钠层回波信号,Ncor(h_na,d,f+)为滤光器校正后的右侧翼工作频率f+对应的钠层回波信号,Ncor(h_na,d,f‑)为滤光器校正后的右侧翼工作频率f‑对应的钠层回波信号;

若Rw(h_na,d)<Rwmin或Rw(h_na,d)>Rwmax,则将对应的Rw(h_na,d)剔除;Rwmin和Rwmax分别为风速比值的最小阈值和最大阈值。

7.根据权利要求1所述的一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制方法,其特征在于,步骤SB1具体为:利用步骤SA4获得的异常值剔除后的天顶方向的钠层温度比值RT(h_na,d0)和步骤SA5获得的异常值剔除后的天顶方向的钠层风速比值Rw(h_na,d0),反演天顶方向的钠层风速廓线W(h_na,d0);利用天顶方向的钠层风速廓线W(h_na,d0)计算钠层峰值附近高度段平均值Wm(h_na0,d0),若∣Wm(h_na0,d0)∣>Wm0,则W(h_na,d0)被判断为结果异常,剔除异常值,Wm0为最大风速误差。

8.根据权利要求1所述的一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制方法,其特征在于,步骤SB2具体为:利用步骤SA3中钠层回波信号∑N(h_na,d,f)、高空背景信号平均值Nm(h_b,d,f)和参考高度瑞利信号平均值Nm(h_ray,d,f),步骤SA4中得到的异常值剔除后的钠层温度比值RT(h_na,d)以及步骤SA5中得到的异常值剔除后的钠层风速比值Rw(h_na,d)计算温度探测误差△T;若∣△T∣>ΔT0,则将对应的温度反演结果Temp(h_na,d0)剔除;△T0为温度探测误差阈值。

9.根据权利要求1所述的一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制方法,其特征在于,步骤SB3中对风速探测误差进行检测及不可靠值剔除,具体包括以下过程:利用步骤SA3中钠层回波信号∑N(h_na,d,f)、高空背景信号平均值Nm(h_b,d,f)和参考高度瑞利信号平均值Nm(h_ray,d,f),步骤SA4中得到的异常值剔除后的钠层温度比值RT(h_na,d)以及步骤SA5中得到的异常值剔除后的钠层风速比值Rw(h_na,d)计算风速探测误差ΔW;若∣ΔW∣>ΔW0,则将对应的风速反演结果W(h_na,d0)剔除;ΔW0为风速探测误差阈值。

10.一种钠荧光多普勒激光雷达数据质量控制系统,其特征在于,包括:

激光雷达原始数据存储模块,用于存储激光雷达探测到的三个探测方向的原始回波信号;

光子计数数据质量控制模块,用于对钠荧光多普勒激光雷达获得的三个探测方向的原始回波信号分别进行高度校正、钠层信噪比检测、参考高度瑞利信号信噪比检测、激光频率稳定性检测及坏数据剔除;然后进行光子计数线性度检测及校正,滤光器透射率校正,温度比值检测及异常值剔除,风速比值检测及异常值剔除;

激光雷达数据产品质量控制模块,利用光子计数数据质量控制模块中获得的天顶方向的钠层温度比值,天顶方向的钠层风速比值,对天顶方向风速廓线进行检测及异常值剔除;

利用钠层回波信号∑N(h_na,d,f)、高空背景信号平均值Nm(h_b,d,f)、参考高度瑞利信号平均值Nm(h_ray,d,f)以及钠层温度比值和钠层风速比值,分别对温度探测误差和风速探测误差进行检测及不可靠值剔除;

激光雷达合格数据产品存储模块,用于存储经过光子计数数据质量控制模块和激光雷达数据产品质量控制模块处理后的合格的数据产品。