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专利号: 2023103315553
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法,其特征在于,包括:接收回波信号;其中,回波信号为相干多普勒激光雷达向大气发射激光脉冲的反射信号;

对回波信号的载噪比分别进行距离、聚焦函数和系统常数的修正,得到衰减后向散射系数;

对衰减后向散射系数进行反演,得到气溶胶的消光系数和后向散射系数;

反演方法为斜率法、Klett‑Fernald反演方法或者迭代反演法,斜率法适用于水平大气均匀的条件;

在Klett‑Fernald反演方法中,根据近场回波衰减小的特点,在近场选择定标点,利用定标点衰减后向散射系数对Klett‑Fernald反演得到的后向散射系数进行定标,并通过更新远场参考点的数值来迭代更新反演结果;

Klett‑Fernald反演方法包括:

选取相干多普勒激光雷达最大探测距离 为参考点,参考点数值设为气溶胶后向散射系数 等于衰减后向散射系数 ;

不考虑大气分子的散射和消光,Klett‑Fernald反演方法的表达式为:(9);

其中, 为设定的气溶胶激光雷达比, 为气溶胶与相干多普勒激光雷达的距离,和 为衰减后向散射系数, 为最大探测距离 处,经第i次迭代后的气溶胶后向散射系数值, 为更新后向散射系数曲线, 为设定的最大迭代次数;

根据近场回波的路径衰减小,在近场 ,设定近场定标点 ,判断是否满足,其中 为给定的阈值;

若满足则停止反演计算;若不满足 ,更新参考点数值,继续通过Klett‑Fernald反演方法的表达式计算;

得到气溶胶后向散射系数 和大气消光系数 。

2.根据权利要求1所述的基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法,其特征在于:回波信号的载噪比表达式为:(1);

其中, 为回波信号的载噪比, 为相干多普勒激光雷达发射激光的单脉冲能量, 为气溶胶与相干多普勒激光雷达的距离, 为大气消光系数,包含大气分子消光和气溶胶消光, 为气溶胶后向散射系数, 为相干多普勒激光雷达有效接收面积,为空气中的光速, 为聚焦函数, 为相干多普勒激光雷达系统效率, 为光子能量,为相干多普勒激光雷达的带宽。

3.根据权利要求1所述的基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法,其特征在于:衰减后向散射系数的表达式为:(2);

其中, 为衰减后向散射系数, 为与相干多普勒激光雷达系统常数相关的常数因子, 为聚焦函数, 为气溶胶与相干多普勒激光雷达的距离, 为回波信号的载噪比。

4.根据权利要求1所述的基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法,其特征在于:在无截断高斯光束条件下,聚焦函数的表达式为:(3);

其中, 为聚焦函数, 为发射激光脉冲在相干多普勒激光雷达处的 辐照度半径, 为激光脉冲波长, 为发射激光脉冲的等相面曲率半径, 为与湍流相关的横向相干长度, 为气溶胶与相干多普勒激光雷达的距离。

5.根据权利要求3所述的基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法,其特征在于:常数因子通过已知光学散射特征的非降水层积云目标信号进行校准;非降水层积云的回波信号从0开始,其光学厚度的表达式为:(4);

其中, 为非降水层积云的光学厚度,是激光脉冲在非降水层积云内的长度,在与相干多普勒激光雷达相距 处的云的消光系数 与后向散射系数 的关系表达式为:(5);

其中, 为云的激光雷达比,为多次散射因子,云的衰减后向散射系数 的路径积分表达式为:(6)。

6.根据权利要求1所述的基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法,其特征在于:在迭代反演法中,根据气溶胶激光雷达比 ,通过对路径衰减的迭代修正反演气溶胶后向散射系数和大气消光系数。

7.根据权利要求6所述的基于相干多普勒激光雷达的气溶胶参数反演方法,其特征在于,迭代反演法包括:设定气溶胶后向散射系数的迭代初始值 等于衰减后向散射系数 ;

根据迭代反演法的表达式更新后向散射系数值 ,迭代反演法的表达式为:(10);

其中, , 为第i次迭代的消光系数, 为第i次迭代的气溶胶后向散射系数,为设定的气溶胶激光雷达比, 为气溶胶与相干多普勒激光雷达的距离,为衰减后向散射系数, 为设定的最大迭代次数;

判断是否满足 ,其中 为给定的阈值;

若满足则停止迭代;若不满足则继续根据迭代反演法的表达式进行下一次迭代,直至达到最大迭代次数;

得到路径衰减校准后的气溶胶后向散射系数 和消光系数 。