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星载高光谱分辨率激光雷达正演评估与去噪方法研究

郑卓凡  
【摘要】:IPCC(The Intergovernmental Panel on Climate Change)报告显示,在影响地球气候变化的众多因素中,气溶胶和云以及两者之间的相互作用是对气候变化有影响的因素中最具有不确定性的。另一方面,大气环境是人类直接接触的环境,大气中的污染对人类的生活和健康具有直接的且难以逆转的影响。激光雷达作为一种主动遥感仪器,观测时间频率高,空间的分辨率也可以做的很高,还具有昼夜探测的优点,相较于其他观测手段具有不可替代的优势。星载激光雷达由于其覆盖地域广,可以探测全球的云气溶胶廓线分布,已经成为人类理解地球大气变化的关键工具。星载激光雷达CALIOP(Cloud-Aerosol Lidar with Orthogonal Polarization)自2006年发射已经在太空中运行了十三年,为科学家连续提供了高质量的数据。中国也在发展自己的星载高光谱分辨率激光雷达(Aerosol-Cloud High-Spectral-Resolution Lidar,ACHSRL),采用了碘分子吸收池作为鉴频器,这颗卫星即将发射,在发射之前需要进行探测性能的评估。而另一方面,对于星载激光雷达,如何抑制噪声提高信号信噪比,对于ACHSRL未来的数据反演尤为需要,针对星载激光雷达研究行之有效的去噪方法迫在眉睫。本文主要研究内容如下:建立了星载高光谱分辨率激光雷达光学特性反演误差模型。通过对ACHSRL的系统参数进行模拟计算,首次系统分析了 ACHSRL的探测能力以及其反演大气中的云气溶胶粒子光学特性的精度。并且使用CALIOP的历史数据作为大气模型输入,评估了 ACHSRL的夏季全球陆地探测精度。另外,本文对比了 ACHSRL系统和CALIOP在气溶胶传输带地区的数据反演精度。误差分析模型表示,在和CALIOP的Level 2 Profile产品同等分辨率的情况下,73.63%的ACHSRL后向散射系数相对误差小于40%,而这一指标对CALIOP是30.72%;对于后向散射系数的绝对误差,ACHSRL有76.01%的比例是低于0.2 km-1,CALIOP的这一指标是56.97%。分析表明,ACHSRL的后向散射系数反演精度相较于CAL.IOP具有显著提升,消光系数的反演精度也有一定提升。为了进一步提升ACHSRL的反演精度,克服噪声的影响,本文研究了适合太空中高速运行的星载激光雷达的去噪算法,相较于传统的平滑或者单廓线拟合算法,本文使用了图像处理领域的BM3D(Block-matching and 3D filtering)算法。由于ACHSRL尚未发射,因此基于CALIOP的历史数据进行了仿真研究。连接相邻的激光雷达信号轮廓,并将其视为图像。与现有的使用未选择的相邻信号进行平滑的激光雷达降噪算法不同,BM3D对信号图像执行频域变换,然后在频域中搜索相似的块以进行协作滤波。该算法不仅达到了良好的去噪效果,而且还保留了气溶胶/云特征边缘细节。经过BM3D消噪后,所有通道中回波信号的峰值信噪比(PSNR)得以改善,ACHSRL的反演精度也得到了提升,尤其是在消光系数的反演精度。除此之外,本文将BM3D算法应用到CALIOP的深度网络层次探测中,使得日间低信噪比数据状况下的层次探测成为了可能。


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