大气气溶胶有双重视野激光雷达探测研究

文摘

双重视野与两个独立的接收器激光雷达系统是实现探测大气气溶胶进行描述。CCD相机与后向散射激光雷达接收机补充数据在近场范围受到激光束和接受者之间的不完全重叠的视野。CCD摄像机的信号检测与信号修正,最后粘后向散射激光雷达获取的银行总裁气溶胶消光系数与费尔纳德算法。气溶胶消光概要和可见性测量的双激光雷达领域已经被另一个与测量结果相比一般的后向散射激光雷达和一个表面气溶胶仪器,分别。结果表明,双重视野激光雷达基于CCD相机是可行的和可靠的。可能获得的数据在附近和在遥远的同时,有效地提高激光雷达系统的检测精度。

1。介绍

大气气溶胶,尤其是气溶胶靠近地面,有一个大对当地和区域空气质量和能见度的影响,以及人类健康和公共交通安全直接或间接。因此,它是至关重要的检测地面附近的大气气溶胶的垂直分布。作为一个强大的工具来探测大气气溶胶的空间分布,激光雷达已广泛应用于大气和环境监测领域1]。然而,激光之间的不完全重叠和后向散射激光雷达的接收机的视野大大影响气溶胶光学特性的观察在近场范围内。所以后向散射激光雷达低几百米有一个缺点,因为几何重叠因子(2]。本文由双重视野问题是克服激光雷达基于CCD相机。

威尔士和加德纳双基地激光雷达的可行性验证,使用CCD相机作为接收机(1989年3]。然后,基于CCD相机的激光雷达逐渐靠近地面的大气气溶胶检测中使用(4- - - - - -6]。然而,标准的应用电荷耦合器件相机激光雷达在不久的范围是有限的。摘要CCD相机与后向散射激光雷达的探测范围扩大的大气气溶胶在不久的范围。与大视场CCD相机主要是用来探测大气在不久的范围和后向散射激光雷达的接收机主要是用来检测大气在遥远的范围。最后,两个接收器的信号粘和用于检索整个范围气溶胶消光特性。

2。系统结构

双重视野激光雷达的配置如图1并给出关键规格表1。如图1,CCD相机和望远镜相距一段距离和CCD相机平行的轴望远镜。激光源是一个脉冲Nd: YAG激光操作在532纳米波长的脉冲重复率20 Hz。CCD相机活跃的像素被冷却到−10°C提高分辨率和减少噪音。视场的接收机由CCD和广角镜头是大约75.4°。

在双重视野激光雷达系统中,激光光束垂直排放到大气中,然后散射信号是两个接收器检测到。CCD相机记录信号的形式形象。从几何、信号探测到CCD相机的分辨率只需给出 在哪里是每个像素的视场。与大视场CCD相机主要是用来检测信号在不久的范围虽然小视场目标的后向散射激光雷达主要用于检测信号在遥远的范围。最后,信号是粘在检索气溶胶资料。

3所示。方法

的双重视野激光雷达技术,一些重要的参数应该假定在CCD相机数据检索和最重要的一个是曝光时间,有一个重要的影响信噪比(信噪比)。王等人。7]指出之间的关系信噪比(信噪比)和天文CCD相机的曝光时间。它表明,信噪比的天文冷却CCD曝光时间成正比当曝光时间(大约是3 s),曝光时间的平方根成正比吗当曝光时间。此外,根据信号理论,信噪比的平方根成正比重复的数量。所有的分析表明:信号暴露模式较长的曝光时间更适合当总曝光时间是确定的。然而,信号会饱和,如果曝光时间太长了。我们实验的曝光时间设置为50年代。

数据处理的流程图如图2。首先,平场校正应用于图像CCD摄像头记录下来了。然后从图像背景中减去散射信号去除背景的影响。每个像素的灰度是总结的方向垂直于望远镜轴在一定范围的大气散射提供信息。高度分散的信号来自激光和CCD相机的几何位置。CCD摄像机检测到的信号,不同的后向散射激光雷达,与散射角相差悬殊(总是180°后向散射激光雷达,而在CCD技术,它随高度),所以信号应该纠正基于气溶胶散射相位函数。在这里我们使用气溶胶散射相位函数8](从第二个计算模拟太阳光谱的卫星信号)在图所示3。在双重视野激光雷达系统中,CCD摄像头接收散射信号在143°~ 180°。CCD摄像机检测到的信号转换为180°的气溶胶散射相位函数,然后粘在收购后向散射激光雷达的信号。

信号粘合理论是一种理想的方法来解决这个问题,在不久的范围和低信噪比信号饱和在遥远的范围(9后向散射激光雷达)。这里信号探测到CCD相机和照片计数信号检测到的后向散射激光雷达是粘的。信号拼接过程的主要步骤可以概括如下(10):首先,拟合区域的信号都应该选择更高的信噪比和更好的线性度;然后选择最好的粘合面积标准的理由适合两组信号,最后的信号拼接参数得到的线性拟合曲线。

为了保证在合适的地区信号的信噪比,信号的范围取决于有效的CCD相机和后向散射激光雷达的探测距离。一些研究已经表明,激光光束的分布函数图像CCD记录的是高斯曲线的特征,所以每个高度的信噪比可以用高斯分布公式计算11]。激光光束的二维图像显示在图4(一)中,光束方向平行轴和颜色级别代表接收信号的强度。图4 (b)显示像素的散点图和相应的灰色尺度态度。我们可以获得信号的信噪比由CCD摄像头接收通过拟合散点图与高斯公式。信噪比可以计算

在合适的区域,计算相关系数与滑动窗口选择最佳拼接区相关性最高的地方。我们应该指出,7.5的后向散射激光雷达常数决议,而CCD的分辨率成像激光雷达随海拔。所以我们需要比较两组信号的分辨率和插入下彼此之前计算每个窗口的相关系数。最后,两组信号拟合最佳拼接区和拟合参数应用于整个信号与照片拼接的CCD相机计数信号由后向散射激光雷达接收。拼接信号不仅包括靠近地面的数据,但也考虑了检测范围,因此该方法可以有效地探测大气气溶胶的分布。

银行总裁的费尔纳德算法通常用于反演气溶胶资料(12]。算法的关键是确定参考点和它的初始值。银行总裁传统费尔纳德算法通常选择清楚aerosol-free高空大气的参考点和计算与标准大气模型的初始值。但有时不存在明确的高度检测路径,这里银行总裁改进费尔纳德算法利用反演气溶胶消光系数。特别是subslope方法用于确定参考点和它的初始值,然后结果是银行总裁替换到费尔纳德公式解决气溶胶概要文件(13]。

4所示。实验结果

观察实验在夜间进行,以避免背景的影响。图5(一个)显示了原始信号的两个接收器接收到双重视野激光雷达。如图5(一个),两个接收器的信号有很好的协议在220 - 300米的范围。相关分析结果如图5 (b)表明该地区可以选择合适的区域。图5 (c)显示了粘合的比较信号和原始的后向散射激光雷达信号接收的望远镜。图5 (d)显示配置文件检索的气溶胶消光系数的双视场激光雷达系统,另一个后向散射激光雷达是放在双重视野激光雷达。最终结果表明,剪接信号能有效反演气溶胶分布在不久的范围。

图6介绍了气溶胶消光系数的分布从7:30到3月22日22:00。在实验期间的消光系数逐渐降低和增加然后减少逐渐从7:30到20:30在0.3 - -1.2公里的范围。此外,拼接的图显示结果反向信号提供了一个更好的悬浮颗粒的分布在数百米越低,表明双视场激光雷达系统的优点。

此外双重视野的能见度测量激光雷达与向前散射能见度仪的。在图7,广场的数据代表了可见性(14)的双重视野激光雷达,圆形和三角形数据代表Gangji的可见性和书珊城站。车站都坐落在一个半径为6公里的激光雷达。从图中,我们可以看到三条曲线都趋于下降,结果在实验期间几乎没有区别。数据8(一个)和8 (b)进一步分别显示能见度测量的相关关系的双重视野激光雷达系统和散射能见度仪是90%以上,因此,双重视野激光雷达可以测量能见度准确和有效。

5。结论

总之,我们引入一个新的气溶胶检测方法有双重视野激光雷达系统。CCD相机是用来检测低层大气后向散射激光雷达是用来探测大气越高;最后反转的信号的消光系数配置文件。CCD相机具有高动态的特点和高分辨率的靠近地面,补偿数据盲人和后向散射激光雷达的过渡区。拼接不仅包括靠近地面的信号数据,但也考虑了检测范围,因此该方法可以有效地探测大气气溶胶的分布。此外,银行总裁改善费尔纳德算法用于逆消光系数概要文件和结果与前面的算法。最后的结果表明,改进算法是合理和有效的。我们已经基本上实现了no-blind气溶胶检测双视场激光雷达系统。目前双视场激光雷达技术的使用范围仅限于晚上,所以进一步的解决方案应该是白天讨论解决背景。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。41305126),国家自然科学基金(没有。41205119),关键项目的中国国家基础研究与发展计划(973计划)(批准2014 cb447900),和国家高新技术研究与发展计划(863计划)(批准2014 aa06a512)。

引用

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