一种激光雷达反演中低云层下方消光系数的修正方法技术领域
本发明涉及环境科学、激光雷达领域，具体为一种激光雷达反演中低云层下方消
光系数的修正方法。
背景技术
激光雷达是探测大气时空分布研究领域的重要技术手段。激光雷达具有高空间和
时间分辨率，允许各种条件下进行大气观测，探测范围可覆盖近地面到100km高空。激光辐
射与大气成分存在各种各样的相互作用，除了探测痕量气体、气溶胶、云，还可以探测大气
基本参量如温度、压力、湿度、风。激光雷达可以监测数立方米、数秒乃至全球、数年的大气
变化过程。激光雷达已经被应用于湍流过程、边界层的昼夜变化、水汽与臭氧通量探测。激
光雷达可以监测排放速率与痕量气体的浓度水平。平流层臭氧消耗为全球的激光雷达所探
测。激光雷达可以用来区分云中的水滴和冰晶。激光雷达有助于人们理解气溶胶的气候效
应。激光雷达监测到了因大规模火山爆发导致的平流层扰动、空气污染洲际间的传输、沙
尘、森林火灾烟尘。在中间层，激光雷达证明了金属原子、离子层、重力波的存在。
在目前的颗粒物监测中，最成熟也是应用最广泛的是米散射激光雷达。利用美国
标准大气对激光雷达米散射回波信号进行反演，即可获得当地当时的消光系数的高度廓
线，用以进行相关研究。当存在中低云层时且云层下方回波信号较强时，传统的反演方法
(Fernald方法等)反演含有中低云层的消光系数时，会产生云层下方消光系数偏小的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于样条插值的激光雷达反演中低云层下方消光系数
的修正方法，以修正米散射激光雷达在反演含有中低云层下方的消光系数，为了达到以上
目的，采用以下技术方案：该方法通过样条插值方法，在激光雷达PRR(距离平方校正信号)
云层所在的高度区间拟合得到不含云层的伪信号，利用Fernald反演方法得到不受云层影
响的消光系数，进而修正了原消光信号中云层下方消光系数，主要步骤如下：
(1)米散射激光雷达后向散射回波信号对应的激光雷达方程为：
其中：P(R)为激光雷达接收到距离R处的后向散射回波信号(W)；
C为激光雷达系统常数(W·km3·sr)，
β(R)为距离R处的总后向散射系数(km-1·sr-1)，
其中，β(R)＝βa(R)+βm(R)，βa(R)和βm(R)分别是距离R处气溶胶和大气分子的后向
散射系数，
α(R)是距离R处总的消光系数(km-1)，α(R)＝αa(R)+αm(R),αa(R)和αm(R)分别是距
离R处气溶胶和大气分子的消光系数；
(2)激光雷达信号远端的背景基线信号作为背景噪声，对激光雷达信号进行扣除
背景噪声操作，得到有效信号Peffect(R)，并进行距离平方校正，有PRR＝Peffect(R)·R2；
(3)利用Fernald反演方法对PRR进行消光系数反演，即可得到原始的消光系数αa
(R)；
(4)利用PRR数据进行云层判定，若无中低云层，则结束；若含有中低云层，进行如
下(5)至(7)步骤；
(5)对含有中低云层的PRR进行云层滤除，即删除云层所在高度区间的数值，并利
用样条插值法拟合得到原云层对应高度区间的拟合数据，记为PRR'；
(6)利用Fernald方法对PRR'进行消光系数反演，即可得到伪无云数据对应的消光
系数，记为αa'(R)；
(7)利用αa'(R)对原始的αa(R)的云下部分进行修正，即直接替换掉云下部分的数
值，最终得到修正的气溶胶消光系数αα_fixed(R)。
本发明与现有技术相比的有益效果：
通过样条插值的方法，根据云层上方及下方信号，对云层所在高度区域的数据进
行重新赋值，得到新的不含云层的拟合信号，再进行反演，这样就可以得到不受云层影响的
近地面消光系数，用来替换原消光系数中对应高度的消光值，因而有效修正了云层对反演
结果所造成的偏差。
附图说明
图1为本发明方法实现的流程图；
图2为PRR信号及拟合得到的无云PRR’
图3显示为原始消光系数廓线αa(R)及修正后消光系数廓线αα_fixed(R)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合一次具体的数据做
进一步的详细说明。在此，本发明的示意性事例用于解释本发明，但并不作为对本发明的限
定。
本发明所提供的修正方法，通过样条插值方法，在激光雷达PRR(距离平方校正信
号)云层所在的高度区间拟合得到不含云层的伪信号，利用Fernald反演方法得到不受云层
影响的消光系数，进而修正了原消光信号中云层下方消光系数，其主要步骤如下：
(1)米散射激光雷达后向散射回波信号对应的激光雷达方程为：
其中：P(R)为激光雷达接收到距离R处的后向散射回波信号(W)；
C为激光雷达系统常数(W·km3·sr)，
β(R)为距离R处的总后向散射系数(km-1·sr-1)，
其中，β(R)＝βa(R)+βm(R)，βa(R)和βm(R)分别是距离R处气溶胶和大气分子的后向
散射系数，
α(R)是距离R处总的消光系数(km-1)，α(R)＝αa(R)+αm(R),αa(R)和αm(R)分别是距
离R处气溶胶和大气分子的消光系数；
(2)激光雷达信号远端的背景基线信号作为背景噪声，对激光雷达信号进行扣除
背景噪声操作，得到有效信号Peffect(R)，并进行距离平方校正，有PRR＝Peffect(R)·R2；
(3)利用Fernald反演方法对PRR进行消光系数反演，即可得到原始的消光系数αa
(R)；
(4)利用PRR数据进行云层判定，若无中低云层，则结束；若含有中低云层，进行如
下(5)至(7)步骤；
(5)对含有中低云层的PRR进行云层滤除，即删除云层所在高度区间的数值，并利
用样条插值法拟合得到原云层对应高度区间的拟合数据，记为PRR'；
(6)利用Fernald方法对PRR'进行消光系数反演，即可得到伪无云数据对应的消光
系数，记为αa'(R)；
(7)利用αa'(R)对原始的αa(R)的云下部分进行修正，即直接替换掉云下部分的数
值，最终得到修正的气溶胶消光系数αα_fixed(R)。