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双扫描激光雷达气溶胶探测结果的不确定度分析及算法优化

李婉婉  
【摘要】:基于双扫描激光雷达的气溶胶探测方法可实现低层大气水平非均匀气溶胶光学特性的精细探测,它以扫描激光雷达为遥感探测工具,结合双激光雷达相向交叉扫描探测工作模式,对交叉扫描区域进行坐标化和网格化处理,利用双扫描激光雷达方程组求解消光系数和后向散射系数双未知量,从而实现对同一区域近地表气溶胶全视野剖面的交叉探测。本文从影响双扫描激光雷达气溶胶探测结果的不确定度来源入手,分别分析了激光雷达系统配置和探测方法所引起的系统误差,以及数据反演算法对气溶胶反演结果所产生的不确定度,重点针对反演算法中的不确定度开展算法优化研究。针对网格分辨率对数据反演精度的影响,综合考虑像素单元要素和光斑直径,提出优化方案确定合理的网格分辨参数;针对S函数估算中需要高精度的相对系统常数,利用多角度方法并综合考虑激光雷达比确定系统常数;针对大气光学厚度的积分计算公式,构建网格像素单元光学路径库的优化计算方案,提出消光系数矩阵和光学路径矩阵相乘的思想提高光学厚度的计算效率;针对双未知量的求解,提出利用Monte Carlo方法在整个扫描区域的收敛性精确估算大气消光和后向散射系数双未知参量。为验证该优化算法的可行性,本文选用长距离扫描激光雷达同时刻和不同时刻扫描数据构建双扫描激光雷达相向交叉扫描的探测数据,分别确定了网格像素单元的最佳分辨率为50m,激光雷达系统相对常数为29.92±0.43。同时刻和不同时刻的扫描激光雷达数据反演结果表明,双扫描激光雷达探测方法可实现交叉扫描剖面气溶胶光学参量探测,气溶胶呈层状分布,与多角度结果相比具有可比性,且大气状态表现为水平非均匀变化特性。最后,论文分析双扫描激光雷达气溶胶探测结果的不确定度,并分别计算不同时刻扫描激光雷达数据反演所得气溶胶消光和后向散射系数的不确定度。Monte Carlo随机次数对大气光学厚度不确定度、后向散射系数不确定度影响较大,相对系统常数和激光雷达比的不确定度对消光系数不确定度影响较大,扫描区域激光雷达比统计结果表明,激光雷达比主要分布在30Sr~50Sr,与当地观测资料所得气溶胶激光雷达比经验值基本一致。


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