本發(fā)明屬于臭氧測量領(lǐng)域，具體涉及一種雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的反演方法。

背景技術(shù)：

1、臭氧是地球大氣中一種非常重要的痕量氣體，可以保護(hù)地球上的生命免受有害的太陽紫外輻射。平流層約占地球臭氧的90%，平流層臭氧吸收太陽輻射的能量是平流層和中層大氣的重要能量來源。少量臭氧也存在于對流層和中間層，對流層臭氧是一種污染氣體，過量的對流層臭氧對人體和生物健康是有害的。差分吸收激光雷達(dá)(dial)測量大氣臭氧分布具有高時空分辨率和測量精度等優(yōu)點(diǎn)，是測量臭氧分布的一種重要方法。dial利用兩束波長相近的激光，一束被o3強(qiáng)烈吸收另一束被o3弱吸收，利用兩個波長的彈性散射回波信號進(jìn)行差分吸收即可測量臭氧分布，dial的主要測量誤差來源于大氣氣溶膠和大氣分子對不同波長的光束作用不同；同時臭氧的吸收光譜缺乏窄而深的結(jié)構(gòu)變化，即一點(diǎn)小的波長變化不會引起較大的吸收強(qiáng)度差距，這種光譜特征決定了用于差分吸收的波長差距會很大，這會大大增加臭氧的測量誤差。針對此問題，研究人員提出雙差分吸收激光雷達(dá)(dual-dial)測量臭氧，其中心思想就是通過選取兩個差分吸收波長對，這兩個差分吸收波長對在對臭氧進(jìn)行反演時，反演誤差是相同或者近似的，在兩次差分的基礎(chǔ)上，再次進(jìn)行差分，便可徹底消除誤差。

2、然而雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧時會存在一個問題，兩個波長對在測量時，氣溶膠及大氣分子散射所造成的差異并不完全相等，因此在差分時，需要擬定一個系數(shù)，使得兩個差分波長對的反演誤差在相減時能完全抵消；但是系數(shù)的值是隨著大氣氣溶膠和大氣分子散射的變化而變化的，所以難以確定，影響其應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的反演方法，提高測量臭氧的精度。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

3、一種雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的反演方法，包括如下步驟：

4、第一步：對所有波長的激光雷達(dá)信號進(jìn)行去除背景噪聲、平滑處理，以提高信噪比；

5、第二步：對所有波長的激光雷達(dá)信號進(jìn)行幾何重疊因子校正處理，之后對所有波長的激光雷達(dá)信號進(jìn)行距離平方校正；

6、第三步：選取激光雷達(dá)中受臭氧吸收效應(yīng)影響最小的波長，對這個波長的回波信號使用梯度法計算出氣溶膠邊界層；

7、第四步：基于米散射和榮格指數(shù)等理論，計算氣溶膠邊界層以下的雙差分吸收激光雷達(dá)的系數(shù)c；

8、第五步：基于瑞利散射理論，計算氣溶膠邊界層以上的雙差分吸收激光雷達(dá)的系數(shù)c；

9、第六步：開始反演臭氧濃度，邊界層以下的區(qū)域，采用第四步計算的系數(shù)c計算臭氧含量；邊界層以上的區(qū)域，采用第五步計算的系數(shù)c計算臭氧含量；最后合并數(shù)據(jù)，得到最終的臭氧含量廓線。

10、有益效果：

11、本發(fā)明首先利用激光雷達(dá)的原始信號計算出大氣氣溶膠邊界層；邊界層以下，氣溶膠豐富，主要的誤差來源于氣溶膠散射，忽略分子散射，根據(jù)米散射原理計算出雙差分吸收激光雷達(dá)的系數(shù)；邊界層以上，氣溶膠稀少，主要的誤差來源于分子散射，根據(jù)瑞利散射原理便可以計算出雙差分吸收激光雷達(dá)的系數(shù)。通過上述方式確定的系數(shù)可以有效的提高雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的精度。

技術(shù)特征：

1.一種雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的反演方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的反演方法，其特征在于，所述第一步的公式如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的反演方法，其特征在于，所述第三步中，梯度法利用激光雷達(dá)距離平方校正信號隨高度的變化直接反映出氣溶膠粒子濃度的變化；梯度法直接根據(jù)激光雷達(dá)距離平方校正信號隨高度衰減速率的大小作為判斷氣溶膠邊界層高度的依據(jù)；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的反演方法，其特征在于，所述第四步中，假設(shè)氣溶膠滿足榮格指數(shù)分布，若選取系數(shù)c使得，那么就從激光雷達(dá)公式上消除大氣氣溶膠散射造成的測量誤差，即：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的反演方法，其特征在于，所述第五步中，根據(jù)瑞利散射理論，大氣分子散射所產(chǎn)生的消光系數(shù)與波長的四次方成反比，據(jù)此得到以下的系數(shù)c的計算公式：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種雙差分吸收激光雷達(dá)測量臭氧的反演方法，屬于臭氧測量領(lǐng)域，包括：對所有波長的激光雷達(dá)信號進(jìn)行預(yù)處理；對所有波長的激光雷達(dá)信號進(jìn)行幾何重疊因子校正處理，對所有波長的激光雷達(dá)信號進(jìn)行距離平方校正；選取激光雷達(dá)中受臭氧吸收效應(yīng)影響最小的波長，對這個波長的回波信號使用梯度法計算出氣溶膠邊界層；基于米散射和榮格指數(shù)等理論，計算氣溶膠邊界層以下的雙差分吸收激光雷達(dá)的系數(shù)C；基于瑞利散射理論，計算氣溶膠邊界層以上的雙差分吸收激光雷達(dá)的系數(shù)C；反演臭氧濃度，得到最終的臭氧含量廓線。本發(fā)明能夠提高測量臭氧的精度。

技術(shù)研發(fā)人員：徐赤東,王瑞,張戰(zhàn)盈
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10