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米氏散射激光雷达近场距离校正函数曲线拟合法修正doc

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  米氏散射激光雷达近场距离校正函数曲线拟合法修正光学学报Vol,No第卷第期March,年月ACTAOPTICASINICA()文章编号:米氏散射激光雷达近场距离校正函数曲线拟合法修正杨经国贺应红郑玉臣程娟左浩毅四川大学物理系,成都香港城市大学物理及材料科学系,香港摘要:报道了一种修正米氏散射激光雷达近场回波信号的新方法,首先对近场区实测回波信号距离校正函数进行二次曲线拟合,获得拟合曲线与实测曲线的差分信号然后对远场距离校正函数作直线拟合,在大气近似均匀假定下,获得近场回波信号距离校正函数直线斜率最后将近场差分信号叠加在该直线上,获得修正后的近场回波信号距离校正函数曲线。用此方法对米氏散射激光雷达近场回波信号的实际计算证明,该方法可获得与实际更为接近的反演结果。关键词:大气光学近场回波信号修正距离校正函数曲线拟合中图分类号:O文献标识码:ATheCorrectionofShortRangeLaserLidarReturnswithFittingtoLidarRangeAdjustedPowerHeYinghongAndrewYukSunChengChengJuanZuoHaoyiYangJingguoDepartmentofPhysics,SichuanUniversity,ChengduDepartmentofPhysicsandMaterialsScience,CityUniversityofHongKong,HongKongAbstract:AnewmethodforcorrectingscatteringlaserlidardataisreportedFirstly,intheinsufficientoverlappingrangebetweenthetransmittinglaserbeamandthefieldofviewofthereceivingtelescope,the()logarithmicrangeadjustedpowercurveSrisfittedwithconic,andthedifferencebetweentheconicandthe()()originalSrintheshortrangeisgottenSecondly,theslopeofcurveSrinshortrangeisobtainedbyfittingthe()curveSrinthelongrangeontheassumptionofanalmosthomogenousatmosphereAtlast,byaddingdifference()()signaltothefittinglineofSrintheshortange,theshortrangeSriscorrectedThecorrectionresultsareclosetotherealatmosphericconditionsKeywords:atmosphericopticscorrectionofshortrangelaserlidarreturnsrangeadjustedfunctionfitting()())(Sr=lnrPrPr为回波信号,r为探测距引言离随传播距离可能呈上升趋势。而由于大气的吸激光雷达是一种很好的遥感工具,它具有很高收作用,真实回波信号距离校正函数曲线应该呈近的空间和时间分辨率,激光束可与微小的大气气溶,因此,传统的大气米氏散射雷达反演算似线性下降胶粒子产生有效的相互作用,利用它可探测诸多的法中往往将探测的近场回波信号抛弃,仅仅对完全重大气参量,如大气消光及后向散射系数、气溶胶模叠区的回波信号进行反演,造成了近距离的大气信式、大气能见度等。然而,由于激光光束在传播中与息丢失。一些作者探索了近距离回波信号修正方法,接收望远镜视场在近距离内存在不完全交叠区,所如Sasano等提出使用实验所获得的实测回波信探测的近距离回波信号低于真实的大气回波信号,号,通过假设大气后向散射系数为一常数,得到大气从而导致在近场范围内回波信号距离校正函数曲线()()国家自然科学基金和国防科技重点实验室基金JSJW资助课题。()作者简介:贺应红,,女,四川大学物理科学与技术学院硕士研究生,主要从事光散射方面的研究工作。通信联系人。Email:yangjingguohotmailcom。收稿日期:收到修改稿日期:,()()Ar=arbrc,用光学理论计算来修正近距离大气回波信号,但()()由于各种参量状态难以确定,因此不仅计算方法复实验测得的回波信号Pr与理论预期P′r的关杂,而且很难准确修正近距离大气回波信号。系可表示为()本文报道一种新的修正近场大气回波信号的方′rP)()(()Pr=Ar,π()wr法。由于实际大气近似均匀,因此,米氏散射激光雷从而有()达回波信号距离校正函数Sr的负斜率直接比例()P′r(于大气消光系数,从而可以认为在未完全重叠区即()()()ArSr=lnrPr=lnr(),π()wr)()()近场区Sr与远场区的Sr函数有近似相等的斜()()由式可知,当Ar=时,即激光束与接收视场率。由此出发,应用曲线拟合获得经过近场修正的()π()没有交叠时,回波信号强度为,当Ar=wr,即回波信号距离校正函数曲线,实现对近场回波信号激光束与接收视场完全交叠后,实测回波信号强度修正,进而求得消光系数。()Pr与大气预期回波信号强度相等,而在近场范围激光束与接收视场不完全交叠区,实测回波信号强度近场回波信号修正方法()()Pr小于大气预期回波信号P′r,因此需对实测信近场区激光束与望远镜接收视场交叠面积()()号进行距离校正,从式可知,校正函数Sr()Ar的计算()Ar,从而在近场范围内未修正的实测回波信号距离激光雷达装置如图所示。校正函数可假定为光束传播距离的二次函数。()近场距离校正函数曲线Sr的修正图中曲线为实测激光雷达回波信号的距离()校正函数曲线Sr。由曲线可知,当传播距离大于()r时,Sr随r呈近似线性下降趋势,表现出大气消m()光属性,而对于rr区域,Sr随r呈上升趋势,其m负导数大于,与大气吸收属性相违背,因此必须对此()加以修正。图中坐标点r,Sr可理解为光束传mm播距离为r时,激光束与接收视场完全交叠,此时的m()回波信号的距离校正函数值为Sr。m图激光雷达装置示意图FigThelidararrangement望远镜视场角为,入瞳孔径为R,激光光束ψ光斑直径为w,光束发散角为,发射光束与望远镜离轴距离为d。当光束传播距离为r时,光斑半ψ()径wr=wrtan,望远镜接收视场半径()Rr=Rrtan,假设交叠的两段圆弧分别对应的αβ圆心角为和,激光束与望远镜接收视场交叠()()()面积为Ar,从图可以知道,当dRrwr时,()()()()π()Ar=当dRrwr时,Ar=wr,()()()()当RrwrdRrwr时,由几何知识可回波信号距离校正函数曲线图()以解得Ar为:()FigTherangeadjustedcurvesSrofreturnsignalψαβtantan从前面的讨论可知,近场范围内实测回波信号()Ar=r的距离校正函数曲线是光束传播距离的二次函数,因αβψαRtanwtandtansinr的实测回波信号距离校正函此,可对近场范围rrm()数如图曲线进行二次曲线拟合,得到曲线,设(αβRwα)()Rdsin,()Δ()为Sr。作曲线与曲线的差分Sr,即期贺应红等:米氏散射激光雷达近场距离校正函数曲线拟合法修正Δ)()(()()Sr场大气米氏散射激光雷达信号进行了实际修正。为=SrSr了验证方法的可行性,使用Klett的散射激光雷达()使用最小二乘法对rr的远场Sr进行直线m数据的分析反演算法及贺应红等的消光系数边界()拟合,即选择合适的Sr斜率k和截距c,使下式值估算方法对修正后的大气信号进行了消光系数的)()(c,‖Srkrc‖=Srikri反演。为了对比,还使用了Sasano等的近场修正方ri法所得到回波信号及未修正的回波信号利用消光系()rirm数反演方法进行了消光系数的反演。()最小,获得远场Sr斜率k及截距c。图的原始数据由四川大学物理系分别于在大气近似均匀假定下,近场与远场区的回波年月日、日及日在四川成都地区信号距离校正函数应有近似相等的斜率k,再考虑采集所得,其中,日天气晴见多云,大气的能见度()()()到近场与远场交叠点r处,S′r=Sr,最mmm高,使用本文所述方法进行近场信号经修正后所得Δ()后,叠加以近场差分信号Sr,获得最终修正的近()场信号距离校正函数S′r:大气消光系数范围为,,日为大雾天气,近场信号经修正后大气消光系数范围为,,()()()S′rkrrSr()=Δ()mmSr,日为阴天,近场信号经修正后大气消光系数范围rrm为,。图中的曲线、、分别对应使用()所获得的S′r如图中曲线所示,从而实现对近未校正的实测回波信号、利用Sasano等的近场修正场回波信号距离校正函数的修正。方法所得到回波信号及本文所述方法修正后的回波信号反演后的大气消光系数。实际大气近场信号的修正使用本文所述的近场修正方法对实际测量的近()()()图使用不同近距离回波修正方法在不同天气下回波信号消光系数反演。a多云,b雾,c晴天FigInversionofextinctionefficientofthebackscattersignalwithdifferentmethodofcorrectionofshortrangereturns()()()indifferentweatheraclaudyday,bfogday,csunnyday实际大气通常呈不均匀状态,但当激光雷达的日当地时间下午点在香港城市大学采集的整个发射光束在没有与云层相遇的时候,大气消光系数扫描范围的近场信号进行修正,再利用Klett的散不会有很大的变化,由图可知,直接将未校正的雷射激光雷达数据的分析反演算法及贺应红等的消光达回波信号进行大气消光系数的反演,所得到的近系数边界值估算方法对修正后的信号进行了消光系()()数反演,其结果如图所示,其中图a,图c场大气消光系数很小,与实际状态严重偏离,使用近场信号分别对应未校正、Sasano等的近场修正方Sasano等提出的近场修正方法所得到回波信号反法及本文方法修正后的回波信号。比较三个图,可演的近场大气消光系数虽然比未校正状态有所提()以看出,图a中,由于近场信号未校正,近场的消高,但仍远小于远场消光系数,没有反映出真实的大光系数值范围为,,而远场消光系数值范气近场信息,使用本文所述的近场信号修正方法所围为,,因此远小于远场的消光系数,这与实际大气中消光系数趋于平缓变化的物理概念不相获得的大气回波信号反演得到的近场大气消光系数()符。图b的近场信号由Sasano等的近场修正方与远场消光系数值大致相当,并且有具体的信息细法所得,从图可看出,近场的消光系数值范围为节,较真实的反映了大气近场信息。使用不同的近场信号修正方法,对年月回波信号,其反演出的消光系数值范围为,()()()图使用不同近距离修正方法的回波信号消光系数反演。a未修正信号,bSasano方法,c本文方法()FigInversionofextinctionefficientofthebackscattersignalwithdifferentshortrangereturnscorrectedabyno()()correctionsignal,bbySasanomethod,cbymethodofthisarticle是散射激光大气雷达反演中较好的近场修正方法。结论本文报道的修正近场大气回波信号的方法,假设参考文献大气近似均匀,则全程范围的回波信号距离校正函数JamesDKlettStableanalyticalinversionsolutionforprocessing()lidarreturnsJApplOpt,,:,曲线斜率近似为一常数,通过对远场完全交叠区的距YSasano,HShimizu,NTakevchietalGeometricalform离校正函数曲线的拟合,获得近场的回波信号距离校factorinthelaserradarequation:anexperimentaldetermination()正函数曲线,对近场区的回波信号距离校正函数进行JApplOpt,,:,THalldorsson,JLongerholcGeometricalformfactorsforthe二次曲线拟合,获得修正后的近场回波信号距离校正()lidarfunctionJApplOpt,,:,JHarms,WLahmann,CWeitkampGeometricalcompression函数曲线,从而实现对近场回波信号修正。()oflidarreturnsignalsJApplOpt,,:,通过比较未进行近场修正、Sasano等的近场修正HeYinghong,AndrewYukSUnCheng,ZuoHaoyietalEstimationofextinctionefficientboundaryvaluewithleastsquare方法及本文的近场修正方法获得的大气消光系数的fittingforlidarreturnsignalJChinJQuantElectron,反演结果,可以看出本文修正的结果能清晰反映出近()(),:,inChinese场消光系数信息,验证了本文修正方法是可行的。该贺应红,郑玉臣,程娟等最小二乘法拟合大气激光雷达回波信()号估算消光系数边界值J量子电子学报,,:,方法物理思想清晰,不需要对众多装置参量的确定,

  1620年,著名的“五月花”号船满载被迫害的清教徒到达美洲,但随即他们遭遇寒冬,在印第安人的帮助下,移民们度过困难,为感谢印第安人的真诚帮助,便诞生了感恩节。

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