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基于改进的道格拉斯-普克算法确定大气激光雷达消光系数边界值

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中国激光 2023年第14期50卷 194-206页

作者：费若男孔政宫振峰梅亮大连理工大学光电工程与仪器科学学院辽宁大连116024

大气激光雷达已广泛应用于大气污染源水平扫描测量,而水平扫描测量激光雷达信号的消光系数边界值求解及廓线反演是其定量化应用的关键。针对这一问题,提出了一种基于改进的道格拉斯-普克(DP)算法确定消光系数边界值的新方法,并结合经典K... 详细信息

大气激光雷达已广泛应用于大气污染源水平扫描测量,而水平扫描测量激光雷达信号的消光系数边界值求解及廓线反演是其定量化应用的关键。针对这一问题,提出了一种基于改进的道格拉斯-普克(DP)算法确定消光系数边界值的新方法,并结合经典Klett方法实现水平扫描测量时的大气消光系数稳健反演。系统性地研究了经典DP算法在消光系数边界值求解时的性能及潜在的问题。在此基础上,提出将对数激光雷达信号与对应直线线段的偏离方差作为阈值控制手段,以替代经典DP算法中的最远距离阈值,从而更加准确地获取对数激光雷达曲线的线性区间,进而利用斜率法求解消光系数边界值。通过消光系数反演结果的对比分析,验证了改进DP算法的有效性。利用该方法反演的消光系数与周围空气污染监测站的PM10颗粒物浓度具有较高的相关性(>0.88)。研究结果表明,提出的改进DP算法可为水平扫描激光雷达信号的消光系数边界值求解和廓线反演提供有效的方法。

关键词：大气光学沙氏激光雷达道格拉斯-普克算法边界值消光系数大气污染

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近海气溶胶消光系数长序列预测方法研究

近海气溶胶消光系数长序列预测方法研究

作者：叶舟中国科学技术大学

学位级别：硕士

气溶胶消光系数是衡量气溶胶颗粒在特定波长下吸收和散射光强度的一个指标,它代表气溶胶对光辐射的削弱程度,是影响地球-大气传输系统和激光传播的重要参数。同时,气溶胶消光系数也能够为空气污染检测和气候变化研究提供重要依据与数据... 详细信息

气溶胶消光系数是衡量气溶胶颗粒在特定波长下吸收和散射光强度的一个指标,它代表气溶胶对光辐射的削弱程度,是影响地球-大气传输系统和激光传播的重要参数。同时,气溶胶消光系数也能够为空气污染检测和气候变化研究提供重要依据与数据支持。因此,对气溶胶消光系数进行预测对于光学遥感、光电工程和环境监测等应用具有重要意义。由于受探测技术和测量环境等诸多因素的限制,长时间连续获取气溶胶消光系数存在效费比低、数据质量不可控等问题,为此,需要建立一种气溶胶消光系数长序列预测方法。在对茂名地区2020年气象数据与能见度、消光系数等实测数据的分析研究基础上,本文建立了气溶胶消光系数单步预测模型与长序列预测模型。论文主要的研究内容如下:(1)利用温度、湿度、压强与能见度等参数,通过结合注意力机制与双向长短期记忆网络,本文建立了 Attention-BiLSTM模型来对消光系数进行单步预测,通过对 MLP、RNN、LSTM、BiLSTM、BiLSTM-Attention 和 Attention-BiLSTM模型的预测精度进行分析和比较,本文提出的气溶胶消光系数单步预测模型相比于经典RNN提高了 23.7%的准确度。与其他不同的LSTM变体相比,准确度均得到了提高,数据变化的趋势也可以被准确地捕捉到。(2)为了提升长序列时间序列预测的可靠性,本文通过在输入表征阶段对输入数据增加了全局时间戳的修正,使用卷积聚合的方式来计算查询向量与键向量,对自注意力机制进行优化,并采用生成式解码对预测结果进行一次性输出,最终提出了一种适用于气溶胶消光系数长序列预测的模型。实验结果表明,相对于其他类Transformer模型,本文提出的模型在准确度、内存使用率和运行速度等方面都有显著提升。在预测准确度实验中,本文模型的MAE指标从0.237下降到0.103,MSE指标从0.345下降到0.241;在内存使用率实验中,模型在输入长度大于720时能够有效缓解内存溢出问题;在运行速度实验中,当输入长度为672时,每轮训练耗时从15.32秒降低至12.39秒。实验结果证明了本文模型的有效性与可靠性,为气溶胶消光系数长序列预测提供了一种新思路和新方法。(3)设计并实现了一个大气数据库软件。首先,本文使用SQLServer数据库系统,按照设计思路和表结构创建了数据库,并收集了南海地区的ERA5数据与多地的实测数据,实现了数据的录入、查询、修改和删除等基本操作;其次,本文使用Qt Creator完成软件的制作,通过存储、管理和分析大气相关数据,软件能够为之后的研究提供数据支持;最后,本文将气溶胶消光系数长序列预测模块与大气数据库软件相结合中实现长序列预测的工程化应用。

关键词：气溶胶消光系数时间序列预测注意力机制 Transformer

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安徽省寿县气溶胶消光系数变化特征分析

大气与环境光学学报 2022年第5期17卷 533-541页

作者：陈玉宽王朔徐学哲赵卫雄盖艳波方波张为俊中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所大气物理化学研究室安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230026

基于自主研发的气溶胶消光光谱仪,在安徽省寿县观测站点进行了连续观测,并对2016年5月至12月期间该地区的大气气溶胶光学特性开展了研究。结合不同大气因素分析了观测结果的时间序列变化及日变化规律,对比了消光系数与PM_(2.5)质量浓度... 详细信息

基于自主研发的气溶胶消光光谱仪,在安徽省寿县观测站点进行了连续观测,并对2016年5月至12月期间该地区的大气气溶胶光学特性开展了研究。结合不同大气因素分析了观测结果的时间序列变化及日变化规律,对比了消光系数与PM_(2.5)质量浓度、散射系数的相关性,并探讨了风速风向对于寿县消光系数变化的影响。结果表明:寿县地区大气消光系数时间序列变化与日变化特征明显,且受到不同气象要素的影响。秋季和冬季的大气污染情况较为严重,与其他季节相比,污染天气的天数明显增多;与清洁天气相比,污染天气的消光系数和PM_(2.5)质量浓度、散射系数显著增大。特别在冬季,污染事件频繁。在12月份出现过重度污染天,其24 h PM_(2.5)平均浓度超过150μg·m^(-3),且该月消光系数和PM_(2.5)质量浓度、散射系数均达到观测期间月平均最大值。整个观测期间,从日变化来看,消光系数、PM_(2.5)质量浓度及散射系数均是白天波动较大,午后出现最低值;其中消光系数最大值出现于清晨08:00左右,最小值则出现于下午16:00左右。此外,消光光谱仪测得的气溶胶消光系数与PM_(2.5)质量浓度和散射系数的相关系数分别为0.91和0.83,说明研制的消光光谱仪同其他仪器的测量结果具有很好的一致性。

关键词：气溶胶 PM_(2.5) 消光系数气象要素

水中镉化合物粒子消光系数及其反射率光谱(400～900nm)测量

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光谱学与光谱分析 2016年第12期36卷 4006-4012页

作者：梁业恒邓孺孺刘永明林梨秦雁何颖清中山大学地理科学与规划学院广东广州510275 广东省水环境遥感监测工程技术研究中心广东广州510275 广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室广东广州510275 珠江水利科学研究院广东广州510611

测量出水中镉化合物单位浓度消光系数光谱曲线和镉化合物干燥环境下的反射率光谱曲线是水体镉元素含量遥感反演的关键。首先采用自主设计的透射光测量装置,利用Analytical Spectral Devices(ASD)光谱仪分别测量了相同厚度不同浓度的两... 详细信息

测量出水中镉化合物单位浓度消光系数光谱曲线和镉化合物干燥环境下的反射率光谱曲线是水体镉元素含量遥感反演的关键。首先采用自主设计的透射光测量装置,利用Analytical Spectral Devices(ASD)光谱仪分别测量了相同厚度不同浓度的两种镉化合物粒子溶液(硫化镉和氧化镉)的透射光辐亮度,通过比值法计算出不同浓度的镉化合物粒子溶液的消光系数,最终得到其400~900nm波长范围内的单位浓度消光系数光谱。然后再利用ASD光谱仪在户外晴好干燥的环境下对这两种镉化合物的反射率光谱进行了测量,为日后进一步计算其单位浓度吸收和散射系数打下基础。单位浓度消光系数光谱测量结果表明,硫化镉在675nm出现极大值,在550和830nm出现极小值;氧化镉则随着波长的增加呈逐渐减少的单调趋势;两种化合物在水中的消光作用主要在紫蓝光波段。反射率光谱测量结果表明,硫化镉的反射率从500nm开始快速增大至650nm后趋于平缓;氧化镉从525nm开始呈近线性递增至900nm;二者都具有明显的光谱特征。本文在国内首次专门针对水质遥感领域开展了具有光活性的镉化合物的光学参数测量工作,并获得了这两种化合物的单位浓度消光系数和反射率光谱曲线,是水体镉含量遥感反演模型所必需的光学参数之一,为镉含量遥感反演这一难题提供一个突破口,测量结果可以为镉含量提取的遥感工作波段选择提供有力的参考依据,同时也为水体镉含量的遥感提取提供了模型必需的重要参数。

关键词：水体重金属污染镉化合物粒子消光系数反射率测量水质遥感

基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法

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光电子．激光 2012年第2期23卷 303-309页

作者：熊兴隆蒋立辉冯帅庄子波中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室天津300300 中国民航大学工程技术训练中心天津300300 中国民航大学国际飞行学院天津300300

提出了一种基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法,其核心思想是将确定大气气溶胶消光系数边界值的问题转化为求解函数不动点。首先建立大气消光系数边界值与大气光学厚度和激光雷达回波信号之间的函数关系;其次依据函数不... 详细信息

提出了一种基于不动点原理的大气气溶胶消光系数边界值确定方法,其核心思想是将确定大气气溶胶消光系数边界值的问题转化为求解函数不动点。首先建立大气消光系数边界值与大气光学厚度和激光雷达回波信号之间的函数关系;其次依据函数不动点存在性和唯一性的条件估计不动点的存在,通过不动点迭代求得大气消光系数边界值,并由此值来确定大气气溶胶消光系数边界值。将本方法应用于实际激光雷达回波信号的反演中,得到低层大气气溶胶消光系数垂直廓线,并与在对流层顶使用洁净层法确定边界值所得的结果进行了对比。结果表明,利用本方法确定边界值,可以较为准确地反演出低层大气气溶胶消光系数。本方法可以预先估计不动点的存在区间、合理选取迭代初始值,具有收敛速度快、迭代次数少的优点,实际应用价值较强。

关键词：激光雷达不动点原理气溶胶消光系数边界值

激光雷达探测对流层气溶胶消光系数的统计分布

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光学学报 2020年第11期40卷 22-30页

作者：麻晓敏陶宗明单会会张辉包莉娜魏宁薛模根罗晓琳刘东王英俭中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室安徽合肥230031 先进激光技术安徽省实验室安徽合肥230037 中国科学技术大学研究生院科学岛分院安徽合肥230026 陆军炮兵防空兵学院基础部安徽合肥230031 陆军炮兵防空兵学院信息工程系安徽合肥230031

集后向散射激光雷达、侧向散射激光雷达及拉曼散射激光雷达为一体的激光雷达系统在探测对流层气溶胶消光系数时具有两个明显的优点,一是反演时不需要假设激光雷达比(LR),二是不存在近地面的过渡区和盲区。在2017年1月至2018年12月期间,... 详细信息

集后向散射激光雷达、侧向散射激光雷达及拉曼散射激光雷达为一体的激光雷达系统在探测对流层气溶胶消光系数时具有两个明显的优点,一是反演时不需要假设激光雷达比(LR),二是不存在近地面的过渡区和盲区。在2017年1月至2018年12月期间,利用一体化激光雷达系统在合肥进行了146天的数据探测,并对气溶胶消光系数进行了反演和统计分析,得出了气溶胶LR平均值为68.4 sr及LR平均值随月份的分布规律,还有气溶胶消光系数月平均、季平均及年平均情况。个例分析表明,高度在0.6 km以下的气溶胶消光系数随高度和时间的变化很复杂,传统后向散射激光雷达很难探测到。对比分析了利用LR经验值反演气溶胶消光系数引起的误差大小。这些探测结果为研究大气污染传输和大气污染防治提供了科学依据。

关键词：大气光学气溶胶消光系数侧向散射激光雷达拉曼散射激光雷达激光雷达比

差分吸收光谱技术监测气溶胶消光系数的误差分析

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光谱学与光谱分析 2006年第10期26卷 1810-1812页

作者：司福祺刘建国谢品华张玉钧王缅刘文清久世宏明刘诚竹内延夫中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室安徽合肥230031 日本千叶大学环境与遥感中心

给出了在利用差分吸收光谱技术监测大气气溶胶消光系数时确定测量误差的方法。分析了光源变化、探测器积分时间间隔、大气湍流、系统参数校正、测量系统位移以及粒子后向散射等可能对测量结果产生影响的因素,通过理论分析和实际测量确... 详细信息

给出了在利用差分吸收光谱技术监测大气气溶胶消光系数时确定测量误差的方法。分析了光源变化、探测器积分时间间隔、大气湍流、系统参数校正、测量系统位移以及粒子后向散射等可能对测量结果产生影响的因素,通过理论分析和实际测量确定气溶胶消光系数误差为0.03 km-1。

关键词：气溶胶差分吸收光谱消光系数误差

多波长激光的大气消光系数相关性及实时反演计算研究

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红外与毫米波学报 2009年第3期28卷 224-228页

作者：吴荣华王江安康圣任席闯海军工程大学电子工程学院湖北武汉430033

利用Mie散射理论并结合激光多点断层测量技术,得到了不同波长消光系数之间的相关关系.使用自主研制的激光遥感式后向散射能见度测量仪,利用实测数据得到了波长为1.06μm激光的大气消光系数,进而利用不同波长消光系数间的相关关系实时反... 详细信息

利用Mie散射理论并结合激光多点断层测量技术,得到了不同波长消光系数之间的相关关系.使用自主研制的激光遥感式后向散射能见度测量仪,利用实测数据得到了波长为1.06μm激光的大气消光系数,进而利用不同波长消光系数间的相关关系实时反演计算了波长为0.532μm、0.86μm、1.57μm和3.47μm激光的大气消光系数,并与实测波长为0.532μm的大气消光系数进行了比对,结果表明可以使用大气消光系数相关性实时反演计算红外辐射大气传输并建立红外辐射实时大气传输修正模型.

关键词：大气光学 Mie散射消光系数消光效率因子红外辐射

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弱吸收多层薄膜消光系数的反演

物理学报 2005年第8期54卷 3722-3725页

作者：顾培夫陈海星郑臻荣刘旭浙江大学现代光学仪器国家重点实验室杭州310027

从窄带干涉滤光片的峰值透射率测量可以直接反演出弱吸收薄膜的消光系数,从而得到一种能简易而又精确地评价多层薄膜微弱吸收的新方法.推导了弱吸收窄带干涉滤光片的吸收表达式,阐述了确定弱吸收薄膜消光系数的基本原理.以离子束溅射的T... 详细信息

从窄带干涉滤光片的峰值透射率测量可以直接反演出弱吸收薄膜的消光系数,从而得到一种能简易而又精确地评价多层薄膜微弱吸收的新方法.推导了弱吸收窄带干涉滤光片的吸收表达式,阐述了确定弱吸收薄膜消光系数的基本原理.以离子束溅射的Ta2O5/SiO2波分复用滤光片为例,分析了这种评价方法的基本精度.

关键词：消光系数多层薄膜弱吸收窄带干涉滤光片吸收薄膜 Ta2O5 离子束溅射直接反演波分复用 Si02 基本原理评价方法透射率表达式