海洋环境气溶胶水平分布测量激光雷达研制与反演方法研究

摘要

大气气溶胶作为大气的重要组成部分不仅会对地球的气象气候;自然环境造成影响;还会直接关系到人们的日常生活和身体健康。拥有着高空间分辨率和时间分辨率的激光雷达（LIDAR）;作为一种主动遥感观测的方案在大气探测和环境监测等领域中应用广泛。国内外的研究主要围绕垂直方向气溶胶消光系数廓线的测量;而水平方向气溶胶分布变化由于缺少合适的反演初值而研究进展缓慢。因此;本文围绕水平方向大气气溶胶探测激光雷达的设计与信号处理展开了研究;主要工作如下： 研究了激光在大气中的传输和气溶胶探测激光雷达的框架和探测原理;并基于理论研制了一套用于水平方向大气气溶胶探测的激光雷达样机;能够实现海洋环境下的大气气溶胶测量。完成了样机系统方案设计;发射与接收系统的光学设计及结构设计;激光雷达控制软件及回波信号处理软件设计。激光雷达可实现回波信号自动采集与存储;以及气溶胶消光系数廓线反演等功能。 研究了用于大气气溶胶激光雷达回波信号反演的算法;分析了现有算法用于水平方向气溶胶反演中所存在的不足。针对这些不足;设计了用于非均匀大气气溶胶光学特性参数反演的集合激光雷达反演算法。通过数值模拟激光雷达信号对算法的有效性进行测试。测试结果显示;集合激光雷达反演算法能够准确的反演出消光系数廓线;该廓线能够反映出探测范围内消光系数的变化情况;并在0.3~1.3;km;1.3~2.3;km和2.3~3.3;km三个区域内分别将噪声引起的反演结果抖动降低了0.27%;2.72%和15.18%;对信噪比较低探测范围内的反演结果有着显著的优化作用。 针对集合激光雷达反演算法中的使用总体卡尔曼滤波算法引入的问题;设计了一种参数补偿的激光雷达反演算法;使用基于高斯过程模型的机器学习算法优化后的补偿参数。该方法可对对总体卡尔曼滤波过程中的预测步骤进行有效补偿;进而减小降噪和反演结果与真实值之间存在的偏移。使用模拟仿真的激光雷达信号对算法进行了测试;结果表明参数补偿的激光雷达反演算法能够同时完成消光系数的反演和信号的降噪;并能有效的降低总体卡尔曼滤波过程中因预测步骤的缺陷而引入的噪声问题。 分别在城市和海上开展了大气气溶胶水平分布测量的实验;现场实验分为两个阶段。第一阶段中首先在武汉地区开展了现场实验验证样机和算法的有效性。然后于2016年搭乘“东方红2号”科考船在渤黄海海域进行了为期25天的实地海洋环境水平方向气溶胶探测实验。在实验中对晴朗;薄雾;阴雨天气下的水平大气气溶胶进了观测;并使用集合激光雷达反演算法对观测数据进行气溶胶消光系数廓线反演。反演出消光系数廓线的数值和变化与实验对应的天气状况契合。实验结果也表明通过集合激光雷达反演算法的反演结果可以在没有先验信息的情况下展示出由天气变化引起的气溶胶水平分布均匀性的变化情况。第二阶段中针对第一阶段实验中的不足;优化样机的基础上改为使用基于高斯过程机器学习的参数补偿激光雷达反演算法进行在武汉地区进行现场实验;结果表明参数补偿的激光雷达反演算法能够同时完成消光系数的反演和信号的降噪;并成功将集合激光雷达反演算法在0.3~1.8;km距离范围内信号的降噪和反演结果中的偏移降低了分别降低了24.22%~65.63%和26.47%~55.12%;即参数补偿的激光雷达反演算法能够对近端结果中因总体卡尔曼滤波产生的偏移进行了大幅降低。

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A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Engineering

摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 大气气溶胶与消光系数

1.1.1 大气气溶胶简介与探测意义

1.1.2 水平大气能见度对海洋光学应用的影响

1.2 大气气溶胶激光雷达探测的发展

1.2.1 采样探测与被动遥感探测大气气溶胶的不足

1.2.2 激光雷达探测大气气溶胶及现状

1.2.3 气溶胶消光系数反演方法

1.3 论文的研究内容和组织结构

2 大气气溶胶的激光雷达探测方法

2.1 激光在大气中的传输

2.1.1 大气光学窗口

2.1.2 大气散射

2.2 大气气溶胶探测激光雷达探测原理

2.3 大气激光雷达回波噪声

2.3.1 自然背景噪声

2.3.2 本地背景噪声

2.3.3 随机噪声

2.4 激光雷达回波信号反演

2.4.1 斜率法

2.4.2 Klett方法

2.4.3 Fernald方法

2.5 本章小结

3 水平气溶胶探测激光雷达样机研制

3.1 水平气溶胶探测激光雷达样机系统组成

3.2 激光脉冲发射单元

3.2.1 脉冲激光器与激光器电源

3.2.2 发射光学系统

3.2.3 光电触发探测器

3.3 激光雷达接收单元

3.3.1 光电探测模块

3.3.2 光学接收系统

3.4 数据采集单元与信号处理单元

3.5 系统装配与主要性能参数

3.6 大气激光雷达样机软件设计

3.6.1 自动数据采集软件

3.6.2 激光雷达数据处理软件

3.7 本章小结

4 水平气溶胶消光系数反演方法研究

4.1 消光系数反演方法总述

4.2 自动分段算法

4.2.1 线性自动分段算法

4.2.2 非线性自动分段算法

4.3 边界值获取算法

4.4 廓线反演

4.4.1 总体卡尔曼滤波去噪

4.4.2 Fernald反演

4.5 集合激光雷达反演算法数值仿真

4.6 本章小结

5 激光雷达回波降噪方法研究

5.1 激光雷达回波信号降噪方法与部分降噪方法缺陷

5.1.1 激光雷达回波降噪方法

5.1.2 总体卡尔曼滤波降噪算法的缺陷

5.2 基于机器学习参数补偿的激光雷达反演算法

5.2.1 参数补偿激光雷达算法

5.2.2 基于高斯过程模型的机器学习

5.3 基于机器学习参数补偿的激光雷达反演算法数值仿真

5.4 本章小结

6 水平气溶胶消光系数探测现场实验

6.1 武汉地区现场测试实验

6.1.1 激光雷达样机测试实验

6.1.2 集合激光雷达反演算法验证试验

6.2 渤黄海地区现场实验

6.2.1 渤黄海气溶胶特点与实验概述

6.2.2 晴朗与多云天气下的实验

6.2.3 雾天环境下的实验

6.2.4 雨天环境下的实验

6.2.5 不同天气下消光系数总体情况对比

6.3 基于机器学习参数补偿的激光雷达反演算法现场实验

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 论文主要创新点

7.3 工作展望

致 谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文目录