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为了有效确定地基激光雷达系统的几何因子, 修正地基激光雷达信号接收过渡区内的回波信号, 提出了一种反演几何因子的新方法。利用星载激光雷达(CALIPSO)可以覆盖地基激光雷达探测过渡区的特点, 结合星载与地基激光雷达同步获取的回波信号, 分别反演了离轴和同轴模式下的几何因子, 并同成熟的拉曼-米氏几何因子反演方法, 以及Su Jia的联合测量法作对比。在几何因子过渡区内, 校正后的气溶胶后向散射系数与Su Jia的方法相比, 离轴和同轴模式下的平均相对误差分别提高了25.4%和10.4%。该方法克服了弹性散射激光雷达水平测量法中因大气均匀假设导致的几何因子测量结果的不确定性, 更适用于应用广泛的弹性散射激光雷达, 且可以利用CALIPSO每月过境时间稳定的特点, 对系统几何因子进行常规标定。
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第
卷
第
期
中
国
激
光
年
月
CHINESEJOURNALOFLASERS
Se
p
tember
星地同步观测数据的地基激光雷达几何因子反演方法
齐 白 玉
,
陈 思 颖
,
张 寅 超
,
陈
和
,
郭
磐
北京理工大学光电学院
北京
摘要
为了有效确定地基激光雷达系统的几何因子
修 正地 基激 光 雷达 信号 接 收过 渡区 内 的回 波信 号
提 出了 一
种反演几何因子的新方法
利用星载激光雷达
可以覆盖地基激光雷达探测过渡区的特点
结合星载 与
地基激光雷达同步获取的回波信号
分别反演了离轴和同轴模 式下 的几何 因子
并同 成熟 的拉曼
米氏 几何 因子反
演 方法
以及
的联合测量法作对比
在几何因子过渡区内
校正后的气溶胶后向散射系数与
的方法相
比
离轴和同轴模式下的平均相对误差分别提高了
和
该方法克服了弹性散 射激 光雷达 水平 测量法
中因大气均匀假设导致的几何 因 子 测 量 结 果 的 不 确 定 性
更 适 用 于 应 用 广 泛 的 弹 性 散 射 激 光 雷 达
且 可 以 利 用
每月过境时间稳定的特点
对系统几何因子进行常规标定
关键词
遥感
激光雷达
几何因子
弹性散射激光雷达
星载激光雷达
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
CJL.
GeometricForm FactorRetrievalMethodforGroundGBasedLidarBasedon
GroundGBasedandS
p
aceGBorneS
y
nchronousObservationData
Schoolo
f
O
p
toelectronics
Bei
j
in
g
Instituteo
f
Technolo
gy
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
收到修改稿日期
基金项目
国家自然科学基金青年科学基金
作者简介
齐白玉
女
硕士研究生
主要从事激光雷达大气探测方面的研究
导师简介
张寅超
男
博士
教授
博士生导师
主要从事激光雷达大气探测方面的研究
通信联系人
中
国
激
光
引
言
激光雷达技术以其高时空分辨率的优势
日益成为 研 究气溶胶 垂 直结构和 时 空演变特 征 的重要工 具
由于发射光束与接收视场不完全重合
激光雷达在探测盲区存在信号丢失
在过渡区存在信号不完全接收的
问题
导致对过渡区的气溶胶光学参数反演结果不合理
但近地表气溶胶与人类活动最 密切
因此激光雷 达
必须具备近地表气溶胶的有效探测能力
通过理论计算或实验测量得到激光雷达的 几何因子
是获取该区
域内气溶胶参数的有效手段之一
在理论计算研究方面
等
通过分析 牛顿望远镜 中像的 简单模型
推导激光 雷 达的几何
因子
狄慧鸽等
基于数学推导和仿真
给出激光雷达重叠因子表达式
并分析了光 束在均匀分 布和高斯分
布时激光雷达几何因子的变化
汪少林等
引入可完全聚焦填充系数
从几何光学角度推导同轴与离轴激光
雷达的几何因子
宋跃辉等
通过分析激光束光轴与望远镜光轴夹角对同轴激光雷达几何因子的影响
提出
同轴米氏散射激光雷达准直判据
王威等
提出了基于激光强度分布的激光雷达 几何因子计 算方法
理论
算法虽然可以计算激光雷达几何因子
并指导激光雷达光学系统的优化配置
但它依赖于在实际中很难获得
的系统参数
包括激光能量分布
传输特性和光学系统性能等
在实验 测 量 研 究 方 面
有 学 者 提 出 了 水 平 测 量 法
成 像 法
振 动 拉 曼
米 氏 法
纯 转 动 拉 曼
米 氏
法
以及星载与地基激光雷达联合测量
即
的方法
等
水平测量法需要激光雷达结构具备水
平测量能力
并且需要假设水平方向上气溶胶均匀分布
因此在实际应用中具有一定的 局限性
成像法对光
学系统精确度要求较高且较为复杂
振动拉曼
米氏方法需要假设米氏散射信号接收通道和拉曼信号接收通
道的几何因子一致
并且由于拉曼波长与米氏散射波长之间波长差距较大
需要 假定气溶胶 消光波长指 数
纯转动拉曼
米氏方法虽然可以弥补波长指数差异的问题
但同样存在拉曼和米氏通道几何因子一致问题的
假设
并且应用范围仅限在纯转动拉曼
米氏激光雷 达上
的方法
需要利 用 星载数据 反 演近地表 的
消光系数
受制于星载信号在近地面信噪比较低
激光雷达比未知等因素的影响
星载激光雷达
反演气溶胶消光系数存在一定的误差
致使几何因子反演结果也存在一定误差
目前应用最广泛的单一功能米氏散射激光雷达
只能通过水平法确定其几何因子
限制了其针对边界层
大气的探测能力
为了解决上述矛盾
本文根据
可以完全接收近地表回波信号的特点
联合全接
收的
探测信号
以及同步观测的
受接收过渡区 影响的地基 激光雷达信 号
提出反演几 何因子的
新方法
基本原理
根据激光雷达方程
地基激光雷达与
的距离校正 后的回波信 号
X
r
和
X
r
可以分别表
示为
X
r
=
c
g
r
β
r
-
τ
r
X
r
=
c
β
r
-
η
r
τ
rr
式中
r
为以地面为原点的垂直高度
c
c
分别为地基激光雷达和
的系统常数
g
r
为地基激光
雷达的几何因子
由于
位于太阳同步极地轨道上
因此在低层 大气中几何 因子为常数
并包含在
系统常数中
β
r
为高度
r
处的总后向散射系数
包括大气分子后向散射系数与气溶胶后向散射系数
η
r
为多次散射因子
为了减弱粒子多次散射对测量结果的影响
选择大气相对清洁
透过率高的 状况测量
此
时认为
η
r
τ
r
为从地面至测量高度
r
处的光学厚度
τ
rr
为从测量高度
r
至
校准高度
r
处
的光学厚度
其表达式为
τ
r
=
r
α
r
r
τ
rr
=
r
r
α
r
r
式中
α
r
为高度
r
处的总消光系数
若不校准地基激光雷达几何因子
则地基激光雷达几何因子影响区域内的距离修正信号可写为
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