一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法

本发明属于臭氧测量领域，具体涉及一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法。

背景技术：

1、臭氧是地球大气中一种非常重要的痕量气体，可以保护地球上的生命免受有害的太阳紫外辐射。平流层约占地球臭氧的90%，平流层臭氧吸收太阳辐射的能量是平流层和中层大气的重要能量来源。少量臭氧也存在于对流层和中间层，对流层臭氧是一种污染气体，过量的对流层臭氧对人体和生物健康是有害的。差分吸收激光雷达(dial)测量大气臭氧分布具有高时空分辨率和测量精度等优点，是测量臭氧分布的一种重要方法。dial利用两束波长相近的激光，一束被o3强烈吸收另一束被o3弱吸收，利用两个波长的弹性散射回波信号进行差分吸收即可测量臭氧分布，dial的主要测量误差来源于大气气溶胶和大气分子对不同波长的光束作用不同；同时臭氧的吸收光谱缺乏窄而深的结构变化，即一点小的波长变化不会引起较大的吸收强度差距，这种光谱特征决定了用于差分吸收的波长差距会很大，这会大大增加臭氧的测量误差。针对此问题，研究人员提出双差分吸收激光雷达(dual-dial)测量臭氧，其中心思想就是通过选取两个差分吸收波长对，这两个差分吸收波长对在对臭氧进行反演时，反演误差是相同或者近似的，在两次差分的基础上，再次进行差分，便可彻底消除误差。

2、然而双差分吸收激光雷达测量臭氧时会存在一个问题，两个波长对在测量时，气溶胶及大气分子散射所造成的差异并不完全相等，因此在差分时，需要拟定一个系数，使得两个差分波长对的反演误差在相减时能完全抵消；但是系数的值是随着大气气溶胶和大气分子散射的变化而变化的，所以难以确定，影响其应用。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法，提高测量臭氧的精度。

2、为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法，包括如下步骤：

4、第一步：对所有波长的激光雷达信号进行去除背景噪声、平滑处理，以提高信噪比；

5、第二步：对所有波长的激光雷达信号进行几何重叠因子校正处理，之后对所有波长的激光雷达信号进行距离平方校正；

6、第三步：选取激光雷达中受臭氧吸收效应影响最小的波长，对这个波长的回波信号使用梯度法计算出气溶胶边界层；

7、第四步：基于米散射和荣格指数等理论，计算气溶胶边界层以下的双差分吸收激光雷达的系数c；

8、第五步：基于瑞利散射理论，计算气溶胶边界层以上的双差分吸收激光雷达的系数c；

9、第六步：开始反演臭氧浓度，边界层以下的区域，采用第四步计算的系数c计算臭氧含量；边界层以上的区域，采用第五步计算的系数c计算臭氧含量；最后合并数据，得到最终的臭氧含量廓线。

10、有益效果：

11、本发明首先利用激光雷达的原始信号计算出大气气溶胶边界层；边界层以下，气溶胶丰富，主要的误差来源于气溶胶散射，忽略分子散射，根据米散射原理计算出双差分吸收激光雷达的系数；边界层以上，气溶胶稀少，主要的误差来源于分子散射，根据瑞利散射原理便可以计算出双差分吸收激光雷达的系数。通过上述方式确定的系数可以有效的提高双差分吸收激光雷达测量臭氧的精度。

技术特征：

1.一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法，其特征在于，所述第一步的公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法，其特征在于，所述第三步中，梯度法利用激光雷达距离平方校正信号随高度的变化直接反映出气溶胶粒子浓度的变化；梯度法直接根据激光雷达距离平方校正信号随高度衰减速率的大小作为判断气溶胶边界层高度的依据；

4.根据权利要求1所述的一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法，其特征在于，所述第四步中，假设气溶胶满足荣格指数分布，若选取系数c使得，那么就从激光雷达公式上消除大气气溶胶散射造成的测量误差，即：

5.根据权利要求4所述的一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法，其特征在于，所述第五步中，根据瑞利散射理论，大气分子散射所产生的消光系数与波长的四次方成反比，据此得到以下的系数c的计算公式：

技术总结本发明提供一种双差分吸收激光雷达测量臭氧的反演方法，属于臭氧测量领域，包括：对所有波长的激光雷达信号进行预处理；对所有波长的激光雷达信号进行几何重叠因子校正处理，对所有波长的激光雷达信号进行距离平方校正；选取激光雷达中受臭氧吸收效应影响最小的波长，对这个波长的回波信号使用梯度法计算出气溶胶边界层；基于米散射和荣格指数等理论，计算气溶胶边界层以下的双差分吸收激光雷达的系数C；基于瑞利散射理论，计算气溶胶边界层以上的双差分吸收激光雷达的系数C；反演臭氧浓度，得到最终的臭氧含量廓线。本发明能够提高测量臭氧的精度。技术研发人员：徐赤东,王瑞,张战盈受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/10/10