大气激光雷达气溶胶光学参数质量可信度评估算法.pdf
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1、气溶胶激光雷达由于系统设计、观测场地气候条件、反演过程中参数选取等因素不同,每次测量反演得到的气溶胶光学参数质量不一致,可信度难以评估,进而极大地影响了其在气象、环保等领域业务化应用。为了解决该难题,本文分析了影响激光雷达气溶胶光学参数质量的因素,开发了一套气溶胶光学参数质量可信度评估算法。采用科学、合理的评分和权重分配方案对激光雷达每次测量反演得到的气溶胶光学参数质量可信度进行评估。本文主要讨论对偏振、米散射激光雷达气溶胶光学参数的质量评估,以中国气象局气象探测中心的波长为532 nm的偏振、米散射激光雷达为例,对所提出的质量可信度评估算法进行验证和分析。结果表明:该算法能够有效地区分出不同
2、激光雷达在不同观测场景下每次测量反演得到的气溶胶光学参数质量可信度,具备为气溶胶激光雷达业务化应用提供可靠性评估的能力。关键词气溶胶激光雷达;质量可信度评估;评分方案中图分类号:TN958.98、P40 7.5D01:10.19517/i.1671-6345.20220418文献标识码:A引言气溶胶是大气中的重要成分,与人类生活息息相关。气溶胶激光雷达具有时、空分辨率高,探测距离远等优点,能够获得大气中气溶胶含量的廓线分布。其反演得到气溶胶光学参数是研究气溶胶、云、降雨等物理过程2-3,提高天气预报、灾害预警精度的重要数据源,在气象、环保等业务应用中发挥着重要的作用4-5目前,研究人员已研制出
3、多种气溶胶激光雷达,并始终致力于激光雷达性能的提升6-7 。激光雷达由于所采用的元器件不同,系统设计也有所差异,测量数据的质量不一致,进而反演得到的气溶胶光学参数质量也不一致8 。此外,观测场地气候状况也会对气溶胶光学参数质量产生一定影响 。即使同一台激光雷达在不同的观测场地,或者同一台激光雷达在同一观测场地但是不同的气候环境下反演得到的气溶胶光学参数质量也可能不一致。因此,对每一台激光雷达的每一次测量反演得到的气溶胶光学参数进行质量可信度评估以获得其可靠性,对气象、环保等业务化应用具有重要意义。提升激光雷达气溶胶光学参数质量一直是研究的热点,自对比和互对比是常用的方法。欧洲气溶胶研究激光雷达
4、观测网(EuropeanAerosolRe-search Lidar Network,EA R LINET)10 已建立了业内公认的先进的激光雷达标定中心,制定了精细、严格的标定流程11。并组织了多次的硬件系统和反演算法的比对,检查并提高激光雷达硬件系统性能8.12 ,确保反演算法的精确性13-14。Freudenthaler等开发了一种激光雷达硬件系统质量检测工具,为激光雷达系统自检测提供了很好的方案15中国气象局气象探测中心在国内布设了几十台气溶胶激光雷达以进行超大城市气溶胶廓线的定量观测,为了确保所布设激光雷达系统性能的良好性以及雷达数据间的定量可比性,中国气象局气象探测中心陆续进行了多
5、次气溶胶激光雷达对比标定实验16-18 ;此外,还根据EARLINET激光雷达的标定精度要求以及目前国内气溶胶激光雷达的发展现http:/气象科技国家重点研发计划“超大城市垂直综合气象观测技术研究及试验”(2 0 17 YFC1501701)及国家自然科学基金(40 90 50 0 5、416 7 50 2 8)资助作者简介:毛松,男,1992 年生,博士在读,主要从事激光大气遥感相关研究,Email:ma o s o n g w h u.e d u.c n收稿日期:2 0 2 2 年9月30 日;定稿日期:2 0 2 3年4月2 4日*通信作者,Email:x u a n.w a n g w
6、 h u.e d u.c n310第51卷象技科状,确定了激光雷达标定过程中主要参数的技术指标范围16-17。以上的国、内外研究工作能够保证系统硬件质量和算法的精度,但是由于观测场地气候条件不同以及反演过程中参数的选择不同等因素,激光雷达每次观测反演得到的气溶胶光学参数质量可能不一致。目前对气溶胶光学参数质量可信度评估的研究还很少。本文细致地分析了影响气溶胶光学参数质量的各个因素,提出采用评分和权重分配相结合的方案来评估气溶胶光学参数质量可信度。以中国气象局气象探测中心布设的532 nm偏振、米散射激光雷达为例,利用质量可信度评估算法评估不同厂家,不同观测场景下激光雷达气溶胶光学参数质量可信度
7、,同时验证质量可信度评估算法的可靠性和鲁棒性,为气溶胶激光雷达业务化应用提供支撑。1质量可信度评估算法气溶胶光学参数主要有气溶胶消光系数、气溶胶后向散射系数、体退偏比和粒子退偏比。影响这些气溶胶光学参数质量的主要因素包括硬件系统,反演过程中参数的选取以及气候状况等。考虑到各个因素的影响效果不一样,本文将不随观测环境、天气状况和处理方案变化的因素称为静态特征因素,反之,称之为动态特征因素。静态特征因素主要包括时间零点,收发光路同轴(四象限测试),线性度,有无拉曼信号,串扰和重叠因子(overlap)。动态特征因素主要包括光子计数堆积误差,背景噪声,高、低空通道信号融合,气象数据,瑞利拟合和电干扰
8、。根据每一项影响因素的特点,制定相应的评分方案。在对各项影响因素进行评分过程中,需要多次用到一个评价标准,即平均相对偏差。假设有m次测量,每次测量在距离方向上含有n个点,第1次测量的信号依次为X11,X12,X13,X1n,第2 次测量的信号依次为X21,X2 2,X2 3,X2 n,第m次测量的信号依次为Xml,Xm2,Xm3,Xm。那么,在距离方向上,第k个点的平均值可表示为:i=mX=(1)m对于第i次测量,在距离方向上,第k个点的相对偏差可表示为:-X-XR=(2)X对于第i次测量,距离方向上n个点的平均相对偏差可表示为:2IR送y;=1(3)n时间零点是由于激光发射时间与采集卡采集数
9、据时间不同步产生的。时间零点会使信号产生空间上的错位,它对低空信号的斜率影响很大15。有些激光器的脉冲激光与触发信号的间隔时间会发生相对抖动,间隔时间不稳定,需要进行定期检测。如果进行了定期检测,经过验证后得到正确的参数并纠正,那么该项为10 0 分;否则,该项为0 分。四象限测试是用来检测激光雷达收发光路是否同轴的,测试过程是用挡光板将望远镜分成4个部分,在较短的时间内测量并比较来自望远镜4个象限的信号115.19。理想情况下,4个象限测得的信号能够保持一致。但是由于温度、运输、长期观测等原因,激光雷达收发光路也会发生一定的漂移,4个象限的信号会有一定的差异,需要定期检测。如果满足在2 5k
10、m以内有3个象限以上的信号平均相对偏差2 0%,该项为10 0 分;否则该项为0 分。线性度15 是反映激光雷达系统性能的参数。通常情况下,通过改变激光器的能量或者插人不同衰减片获取不同能量下的信号值。在大多数天气状况下,激光雷达信号中气溶胶含量约占一半。为了得到精度可以接受的气溶胶含量和微物理参数,气溶胶光学参数相对偏差一般应小于2 0%,对应激光雷达信号的线性度相对偏差大概应小于10%,满足这个条件为10 0 分。当激光雷达信号线性度相对偏差大于2 0%时,在大部分情况下,对应的气溶胶光学参数相对偏差大于40%,该情况无法接受,为0分。当线性度相对偏差处于中间值时,采用简化的线性方程的模型
11、来评分。有无拉曼信号决定着反演过程中是否需要假设雷达比,米散射激光雷达反演时通常需要假设雷达比2 0-2 2 ,这样会引入额外的误差,反演结果的可靠性会降低。根据以往的研究2 3-2 41,米散射激光雷达反演时,雷达比的误差对气溶胶消光系数的影响远大于其对气溶胶后向散射系数的影响。因此,将这2个参数的该项最高得分分别定为6 0 分和8 0 分。瑞利拟合参考点需要选在激光雷达信号的无气溶胶区域。但是,大气中或多或少总存在一些气溶胶,且311毛松等:大气激光雷达气溶胶光学参数质量可信度评估算法第3 期随高度增加呈指数衰减。在信噪比满足要求的条件下,参考点位置越高,该处气溶胶含量相对越少,反演结果就
12、越准确,且包含的气溶胶空间信息越多。因此,对于米散射激光雷达,气溶胶后向散射系数的评分细则为:当参考点位置大于5km时,该项为8 0分;当参考点位置小于2 km时,该项为40 分;在其它区域,采用简化的线性函数计算该项的得分。气溶胶消光系数的评分细则为:如果有太阳光度计或24h内的拉曼法计算的雷达比,该项为6 0 分;如果可以根据观测场景判断气溶胶类型(如海盐、沙尘),估计雷达比的大致范围,该项为30 分;否则,该项则为0 分。偏振串扰对各个气溶胶光学参数的影响不一样,由计算公式13.2 5 可知,偏振串扰对气溶胶消光系数和后向散射系数没有影响,对体退偏比和粒子退偏比影响较大。由于分子的退偏比
13、较小,一般为0.36%左右,气溶胶的退偏比一般大于分子的退偏比。因此,当雷达系统的偏振串扰小于0.1%时,系统能够准确测得分子和气溶胶的退偏比,该项为100分。由于大部分气溶胶的退偏比在5%50%之间,当偏振串扰为1%时,大部分气溶胶退偏比相对误差在2 0%以内,该项为8 0 分。当偏振串扰大于10%时,气溶胶退偏比相对误差有可能大于100%,该项为0 分。由于本文考虑的是串扰的数量级,对偏振串扰为其它值时采用对数线性方程来评分,以表示偏振串扰,Score表示其得分:100,0.1%-20lnz+40,0.1%1%Score=(4)-80lnz-80,1%10%lo,10%重叠因子(overl
14、ap)是激光的发散角与接收系统的视场角的重叠区域2 6 ,overlap越小,雷达可探测的低空的信号越多,性能越好。本文提出一种积分比值法对重叠因子进行评估。通过计算overlap函数在距离轴的积分与数值为常数1的函数在距离轴的积分的比值来评估overlap得分,考虑到目前常用的激光雷达的完全重叠区大多在10 0 0 m以内,因此,积分范围为0 10 0 0 m。将比值归一化到100,作为overlap的得分。光子计数堆积误差是由探测器的工作模式决定的,当同一时间内到达探测器的光子数过多时,探测器不能将光子全部识别,记录的光子数比实际的光子数要少,堆积误差可通过公式纠正2 7 。如果没有进行堆
15、积误差纠正或者信号饱和,那么该项为0 分;如果测量信号的计数率小于死时间倒数的1/10,那么光子计数堆积误差可以用纠正公式很好地进行纠正,该项为10 0 分;其余情况,利用模型公式对堆积误差的纠正会存在一些误差,该项为8 0 分。当激光雷达采用模拟通道采集时,需要考虑电干扰的影响,它会影响激光雷达的信号。电干扰是随时间变化而变化的,需要定期测量。当电干扰小于信号随机噪声时,其影响可以忽略,该项为10 0分;当电干扰大于信号随机噪声时,该项为0 分。背景噪声主要反映信号信噪比的好坏,信噪比越好,激光雷达信号质量越好,进而反演得到的气溶胶光学参数质量越好。本文采用最大探测距离对信噪比进行评估,将雷
16、达信号的信噪比连续大于3时的最远距离定义为最大探测距离。当最大探测距离分别达到0 km,3k m,10 k m,15k m 和大于30km时,该项得分分别为0,6 0,8 5,90 和10 0分,采用简化的内插方法得到最大探测距离为其他值时的得分。高、低空通道信号融合2 7 的好坏影响着信号的质量。信号融合主要从2 个指标来评估:融合区间的长度和融合区间内平均信噪比的大小。当融合区间长度大于最大阈值(本文中为150 0 m)时,该项为100分;融合区间长度为0 m时,该项为0 分;由于融合区间长度越接近最大值时,融合效果差异越小,因此,融合长度为其它值时,用简化的一元三次方程计算融合区间长度的
17、得分。此外,融合区间的信噪比是影响信号融合质量的重要因素,信噪比越大,信号融合引人的误差越小。当融合区间内平均信噪比大于最大阈值(本文中取2 0)时,该项为10 0分;融合区间内平均信噪比小于2 时,该项为0 分;利用简化的线性方程计算平均信噪比为其它值时的得分。通过加权平均法得到高、低空通道信号融合的得分。瑞利拟合2 8 的精度对反演结果的精度有重要的影响。瑞利拟合主要从2 个指标来评估:参考区间的长度和参考点位置高度。当参考点位置高度达到3km(一般包含边界层)时,该项为6 0 分;当参考点位置达到6 km(气象过程主要受6 km以下的气溶胶的影响)时,该项为8 0 分;当参考点位置达到1
18、0km(卷云一般分布在10 km左右)时,该项为90312象第51卷技科分;当参考点的位置达到2 0 km时,满足业务应用的需求,该项为10 0 分。参考点位置为其他值时,通过简化的线方程得到其得分。在满足参考区间选取条件的情况下,参考区间越大,瑞利拟合误差越小。当参考区间的长度分别为0 km,1k m,3k m 和大于5km时,该项分别为0,6 0,90 和10 0 分;当参考区间的长度为其它值时,通过简化的线性方程得到其得分。通过加权平均法得到瑞利拟合项的得分。气象数据是数据反演中的重要输人量,数据反演中需要用到温度和气压的廓线数据。常用的方法有:无线电探空仪测量法和标准大气模型法。无线电
19、探空仪(或者其他仪器)测量法得到的是真实的温度、气压廊线分布2 9-30,因此为10 0 分。标准大气模型可以得到与真实廓线较为接近的廓线数据,该方法需要知道观测点的温度和气压。如果已知观测点的温度和气压,则该项为7 0 分;否则该项为0 分。在获取各项影响因素的得分后,通过权重分配法分别计算静态特征因素和动态特征因素的得分。将静态特征因素的得分和动态特征因素的得分相乘后归一化到10 0,即可得到各个气溶胶光学参数的综合得分。本文主要讨论对偏振、米散射激光雷达反演结果(气溶胶光学参数)的质量评估,表1列出了影响偏振、米散射激光雷达气溶胶光学参数的各个因素,并根据影响因素所占的比重对各个影响因素
20、赋了权重。权重为0 表示该影响因素对该气溶胶光学参数不产生影响。权重为1表示该影响因素对该气溶胶光学参数影响很大,需要单独考虑。偏振串扰对体退偏比和粒子退偏比影响很大,在分配权重时,该项需要单独考虑,其得分与其他影响项的加权平均得分相乘归一化后得到静态特征因子的得分。当影响因素对气溶胶光学参数影响不大时,其权重分配的也较小,如时间零点、气象数据。剩下的影响因素取相同的权重。表1米散射、偏振激光雷达气溶胶光学参数的影响因素及权重分配静态特征因子动态特征因子光学参数时间零点四象限线性度有无拉曼偏振串扰重叠因子堆积误差背景噪声信号融合气象数据瑞利拟合电干扰消光系数0.080.230.230.2300
21、.230.180.180.180.10.180.18后向散射系数0.080.230.230.2300.230.180.180.180.10.180.18体退偏比0.100.300.300.3010.000.250.250.250.00.000.25粒子退偏比0.080.230.230.2310.230.180.180.180.10.180.182实例分析中国气象局气象探测中心在国内布设了几十台气溶胶激光雷达,且激光雷达组网工作仍在不断地更新、完善中。目前,主要以波长为532 nm的偏振、米散射激光雷达为主,同时也有拉曼激光雷达和多波长偏振、拉曼激光雷达。本文以532 nm波长的偏振、米散射激光
22、雷达为例,选取典型的观测场地和观测场景,利用本文提出的质量可信度评估算法对各激光雷达每次测量反演得到的气溶胶光学参数进行可靠性评估。表2 列出了所选观测场地的主要信息,观测场地包括城镇、郊区和山谷,海拔高度也各有差异。此外,本文在选取数据时也考虑了不同的气候环境,如,污染和降雨。气溶胶激光雷达在安装后需要做自校准测试,主要包括四象限测试、线性度测试、偏振串扰和电干扰等。所选的激光雷达已知其时间零点和overlap函数,并在数据处理时进行了相应改正。表2波长为532 nm的偏振、米散射激光雷达布设观测场地信息雷达编号场地经度(E)纬度(N)高程/mL01城镇11707401024.8L.02郊区
23、11628394823.6L.03山谷115443.9434012.1城镇气溶胶激光雷达L01是布设在城镇的一台设备,图1为其在2 0 2 0 年5月2 5日14:16 2 4:0 0 的距离校正信号(Range corrected signal,R CS)时空分布。从图中可以看出,该时间段为一个多云、多气溶胶的天气场景。气溶胶主要分布在0 5km区间313毛松等:大气激光雷达气溶胶光学参数质量可信度评估算法第3 期内,且呈现出多层分布的状态。大约在14:16 一19:0 0时间段,在34km之间有一层相对较薄的云,18:00一2 3:0 0 在6 km左右有一层相对较厚的云层,16:2 0
24、左右存在降雨现象。X101110281.560.520015:0018:0021:0000:0025日26日图1激光雷达L012020年5月2 5日14:16 2 4:0 0 的距离校正信号时空分布(时间、空间分辨率分别为1min和15m)图2 为Lo1气溶胶激光雷达的overlap函数曲线,从图中可以看出该激光雷达的完全重叠区在1.3km左右,完全重叠区相对比较大。按照上文提出的积分比值法计算overlap这一项的得分为52 分。得分:520.80.60.40.2000.511.5高程/km图2激光雷达Lo1的overlap函数曲线分布及评估得分图3为2 0 2 0 年5月2 5日14:30
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