一種基于半導(dǎo)體激光云高儀的云高自動(dòng)反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及云高測(cè)量領(lǐng)域，具體為一種基于半導(dǎo)體激光云高儀的云高自動(dòng)反演方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 云是懸浮在大氣中的小水滴、過冷水滴、冰晶或它們的混合物組成的可見聚合物； 有時(shí)也包含一些較大的雨滴、冰晶和雪晶，其底部不接觸地面。云的生成、外形特征、云量、 云的分布及其演變不僅反映了當(dāng)時(shí)大氣的運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)定程度和水汽狀況，同時(shí)預(yù)示著未來天 氣變化。云層厚度對(duì)溫室效應(yīng)有著重要影響，云層的性質(zhì)和天氣特征分析對(duì)人工增雨抗旱 減災(zāi)有著重要指導(dǎo)意義，云層信息尤其云高參數(shù)是影響飛機(jī)起飛、著陸、飛行安全的重要?dú)?象要素之一。如何方便有效地準(zhǔn)確確定云層高度并監(jiān)測(cè)其變化過程，對(duì)天氣系統(tǒng)發(fā)展、降雨 形成和大氣福射傳輸模式研宄具有十分重要意義。
[0003] 目前對(duì)云高的測(cè)量主要是依賴于目測(cè)，要比較準(zhǔn)確的判斷、辨別各種云的高度，需 要掌握云的外形特征、了解云的物理過程，對(duì)觀測(cè)人員業(yè)務(wù)知識(shí)要求高，并且人為誤差較 大。激光云高儀采用激光原理和微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)有效提取云和大氣的后向散射信號(hào)，能 夠?qū)崟r(shí)提取云高的信息，具有智能、便攜、實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)?；诎雽?dǎo)體激光云高 儀的反演主要有微分零交叉法、閾值法。微分零交叉法對(duì)大氣和云的后向散射信號(hào)微分，尋 找微分信號(hào)零點(diǎn)位置，零點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)云峰的高度，但是，在復(fù)雜的大氣環(huán)境下氣溶膠的干擾 將會(huì)產(chǎn)生很多過零點(diǎn)，并且白噪聲的抖動(dòng)也會(huì)引入額外的過零點(diǎn)，這勢(shì)必對(duì)過零點(diǎn)的有效 提取造成很大的影響；閾值法是首先選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝?，以超過設(shè)定閾值作為判斷基準(zhǔn)， 閾值的選取基于經(jīng)驗(yàn)的方法，而實(shí)際的大氣是劇烈變化的，白天和夜晚的噪聲干擾差別明 顯，因此，基于經(jīng)驗(yàn)值的閾值法很難適應(yīng)于復(fù)雜的大氣環(huán)境，白噪聲和氣溶膠有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生 超過設(shè)定閾值的奇異值，閾值法沒有對(duì)奇異值作進(jìn)一步的處理和篩選，這也將在云高的反 演中帶入一定的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于半導(dǎo)體激光云 高儀的云高自動(dòng)反演方法，以解決傳統(tǒng)方法中云高觀測(cè)人為誤差較大，受氣溶膠和白噪聲 干擾大，鑒別能力不高，自適應(yīng)性不強(qiáng)等問題。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] 一種基于半導(dǎo)體激光云高儀的云高自動(dòng)反演方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0007] (1)半導(dǎo)體激光云高儀接收l(shuí)〇64nm后向散射回波信號(hào)；
[0008] ⑵由l〇64nm后向散射回波信號(hào)特征獲取分段高度；
[0009] (3)對(duì)采集到的1064nm后向散射回波信號(hào)進(jìn)行距離平方修正，并將距離平方修正 后的信號(hào)取名為PRR信號(hào)，分別對(duì)l〇64nm后向散射回波信號(hào)和PRR信號(hào)進(jìn)行歸一化處理；
[0010] (4)根據(jù)分段信號(hào)分布特征獲取滑動(dòng)窗口積分閾值以及云頂、云底、云峰、云厚度 和云幅度變化閾值；
[0011] (5)米用滑動(dòng)窗口積分的方法，從地面開始向上逐一滑動(dòng)窗口，在窗口內(nèi)對(duì)分段信 號(hào)進(jìn)行累加平均，當(dāng)信號(hào)累加平均值大于等于滑動(dòng)窗口積分閾值時(shí)，初步篩選出云層分布 的大致位置；
[0012] (6)由分段信號(hào)分布特征確定云底、云峰、云頂?shù)木_高度；
[0013] (7)利用云厚度閾值、云峰閾值、云幅度變化閾值對(duì)云層進(jìn)行進(jìn)一步的篩選，當(dāng)經(jīng) 過（6)步驟確定的云厚、云變化幅度、云峰的幅度其中兩項(xiàng)同時(shí)大于等于對(duì)應(yīng)的閾值時(shí)，即 篩選過后的云高分布信息。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果：
[0015] (1)本發(fā)明通過選取背景信號(hào)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)偏差，以此為基準(zhǔn)對(duì)1064nm后向散射回 波信號(hào)斜率進(jìn)行自動(dòng)化判別，有效識(shí)別分段高度，并利用分段高度對(duì)l〇64nm后向散射回波 信號(hào)和PRR信號(hào)分段處理，有利于閾值的獲取和設(shè)定。
[0016] (2)本發(fā)明可以在復(fù)雜的大氣環(huán)境條件下，有效減小氣溶膠和白噪聲在云高分布 測(cè)量中的干擾，自適應(yīng)地確定云高識(shí)別閾值，高準(zhǔn)確性地提取云高分布信息。
[0017] (3)本發(fā)明計(jì)算便于程序化，可以長(zhǎng)時(shí)間在線高時(shí)間分辨率和高空間分辨率的對(duì) 云高分布進(jìn)行主動(dòng)遙感測(cè)量，這是傳統(tǒng)儀器所無法實(shí)現(xiàn)的。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的流程圖；
[0019] 圖2為1064nm后向散射回波信號(hào)和PRR信號(hào)；
[0020] 圖3為基于云高自動(dòng)反演方法的云高儀云高自動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件；
[0021] 圖4黑點(diǎn)代表了云層時(shí)空分布演化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 根據(jù)本發(fā)明中提出的一種基于半導(dǎo)體激光云高儀的云高自動(dòng)反演方法，以某次實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，所述方法步驟為：
[0023] (1)半導(dǎo)體激光云高儀接收l(shuí)〇64nm后向散射回波信號(hào)，激光云高儀的1064nm后向 散射回波信號(hào)可表示為：
[0024]
[0025] 其中，P(A，Z)為波長(zhǎng)A，距離z處的激光云高儀l〇64nm后向散射回波信號(hào)，C為 系統(tǒng)常數(shù)，0 (X，z)為氣體分子和云或氣溶膠的總的后向散射系數(shù)，a (A，z)為氣體分子 和云或氣溶膠的消光系數(shù)。由于云的后向散射系數(shù)遠(yuǎn)大于氣溶膠，所以當(dāng)激光在大氣中傳 輸與云產(chǎn)生后向散射作用時(shí)，P(A，z)將會(huì)突然增大，出現(xiàn)突變，呈現(xiàn)出周圍氣溶膠回波信 號(hào)截然不同的分布特征，主要表現(xiàn)在：云層回波信號(hào)幅度較大；云層回波信號(hào)變化幅度大， 因此云層內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)偏差較氣溶膠回波信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯偏大；云層回波信號(hào)脈沖寬度寬， 而干擾噪聲具有隨機(jī)性，脈沖很窄；云層內(nèi)部可能劇烈變化，表現(xiàn)為云峰出現(xiàn)多個(gè)，但認(rèn)為 同一層云。因此，針對(duì)云層回波信號(hào)獨(dú)特的特征設(shè)定六個(gè)閾值，針對(duì)云層回波信號(hào)幅度，設(shè) 定滑動(dòng)窗口積分閾值和云峰閾值；針對(duì)云層回波變化幅度，設(shè)定云幅度變化閾值；針對(duì)云 層回波信號(hào)寬度，設(shè)定云厚度閾值；為了有效識(shí)別出云底、云頂信息設(shè)定云底、云頂閾值； 以六個(gè)閾值為判斷依據(jù)從而由l〇64nm后向散射回波信號(hào)中篩選出云層信息。
[0026] (2)由1064nm后向散射回波信號(hào)特征獲取分段高度，選取12km~15km的1064nm 后向散射回波信號(hào)作為背景信號(hào)，計(jì)算背景信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差；由近地面高度向上將l〇64nm 后向散射回波信號(hào)與背景信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)偏差逐一進(jìn)行比較，當(dāng)兩者比值第一次小于等于1時(shí) 所對(duì)用的高度為分段高度；
[0027] (3)受氣溶膠干擾和幾何因子的影響，1064nm后向散射回波信號(hào)在分段高度以下 呈現(xiàn)先上升后下降的變化特征，不利于閾值的選取和設(shè)定，而l〇64nm后向散射回波信號(hào)經(jīng) 過距離平方修正后的PRR信號(hào)平整形較好，有利于閾值的選取和設(shè)定，所以首先對(duì)l〇64nm 后向散射回波信號(hào)進(jìn)行距離平方修正、歸一化處理、三角濾波后得到PRR信號(hào)，如下所示：
[0028]
[0029] 利用PRR信號(hào)確定六個(gè)閾值；在此高度以上的1064nm后向散射回波信號(hào)隨距離變 化不明顯，而PRR受背景噪聲影響，信號(hào)抖動(dòng)隨距離增加而加劇，因此直接利用歸一化處理 后的1064nm后向散射回波信號(hào)確定六個(gè)閾值。
[0030] (4)扣除奇異點(diǎn)后，求分段信號(hào)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差作為滑動(dòng)窗口積分閾值以及 云頂、云底、云峰、云厚度和云幅度變化閾值的選擇基準(zhǔn)，以此基準(zhǔn)為基礎(chǔ)乘以是適當(dāng)?shù)南?數(shù)作為閾值。所述分段信號(hào)在分段高度以下為PRR信號(hào)，在分段高度以上為歸一化處理后 的1064nm后向散射回波信號(hào)；所述滑動(dòng)窗口積分閾值設(shè)為分段信號(hào)平均值加上標(biāo)準(zhǔn)偏差 的2~5倍；所述云頂、云底閾值相同，并設(shè)為分