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侧向散射图像激光雷达的系统优化和实验研究

侧向散射图像激光雷达的系统优化和实验研究

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作者：许仕豪西安理工大学

学位级别：硕士

气溶胶是大气重要的组成部分,作为影响大气辐射和气候变化的重要因素之一,对其组成分布、物理形态和光学特性的精确测量具有深远的研究意义。目前,已有多种方法可以实现气溶胶相关光学参数的测量,激光雷达作为大气遥感测量技术的重要应... 详细信息

气溶胶是大气重要的组成部分,作为影响大气辐射和气候变化的重要因素之一,对其组成分布、物理形态和光学特性的精确测量具有深远的研究意义。目前,已有多种方法可以实现气溶胶相关光学参数的测量,激光雷达作为大气遥感测量技术的重要应用,因其在大气参量探测中具有动态范围广、时空分辨率高、探测精度高、可进行连续性不间断观测等优点,成为了气溶胶光学信息测量的重要手段。后向散射激光雷达因其收发系统平行轴的放置方式,产生了激光雷达几何重叠因子,大气回波信号接收存在盲区和过渡区,大大降低了其探测近地面气溶胶光学信息的能力。侧向散射图像激光雷达是气溶胶光学参量探测的一种新方法,其采用收发系统非平行轴的放置方式,有效解决了后向散射激光雷达系统中几何重叠因子的存在对近地表气溶胶光学参量的影响。然而在利用侧向图像激光雷达探测气溶胶光学参量时,由于接收系统在侧方位以一定的侧向散射角接收大气的侧向散射回波信号,产生了气溶胶侧向散射相函数这一时空依赖性较强的参量,因此气溶胶光学参量的反演精度受到气溶胶侧向散射相函数的影响。论文针对西安理工大学激光雷达遥感研究中心搭建的侧向散射图像激光雷达系统,以解决气溶胶侧向散射相函数对该系统探测气溶胶光学信息产生的影响来实现系统优化为目标,开展了气溶胶侧向散射相函数的探测方法研究,并搭建了一套实时测量大气边界层内均质气溶胶侧向散射相函数的激光水平遥感测量系统。激光水平遥感测量系统以图像传感器在开放空间条件下所拍摄的激光束水平传输的侧向散射图像为基础,利用侧向散射图像像元随角度的变化来反演得到气溶胶侧向散射相函数。论文详细阐述了激光水平遥感测量系统的系统标定和气溶胶侧向散射相函数的反演流程。考虑到侧向散射图像中除有效散射信号外,还包含影响测量结果的背景噪声,开展针对侧向散射图像的去噪预处理技术研究,阐述了基于信号占比的P参数分割算法、基于绿色分量的分割算法、基于绿色分量的图像相减分割算法三种算法在激光水平遥感测量系统面对不同实验环境及噪声组成的适用性。并基于侧向散射图像激光雷达系统侧向散射图像背景噪声的单一性,选择基于绿色分量的分割算法和基于绿色分量的图像相减分割算法作为其去噪预处理技术。结果显示去噪预处理技术效果较好。将激光水平遥感测量系统测量的气溶胶侧向散射相函数作为反演参数代入侧向散射图像激光雷达系统,探测气溶胶消光系数在近地面区域的竖直分布廓线。考虑到双接收系统的参数标定和两次拍摄带来的粗大误差,搭建了基于一套接收系统的复合侧向散射图像激光雷达系统。该系统实现了短时间间隔(10s)内完成竖直散射激光束和水平散射激光束的采样,在对实验结果影响较小的基础上,实现了气溶胶侧向散射相函数的实时测量,克服了粗大误差并节约了实验成本。运用激光水平遥感测量系统和复合侧向散射图像激光雷达系统分别进行了实验观测。就不同日期相同时间段和相同日期不同时间段的测量气溶胶侧向散射相函数结果进行对比,分析气溶胶侧向散射相函数的变化;就不同天气污染情况对气溶胶消光系数结果进行分析,并代入不同时间段的气溶胶侧向散射相函数参与反演,实验结果显示,气溶胶侧向散射相函数的时空依赖性较强,且会对侧向散射图像激光雷达系统探测近地面区域气溶胶光学参量产生影响。由此表明,实时测量气溶胶侧向散射相函数对侧向散射图像激光雷达的系统优化具有深远研究意义。

关键词：侧向散射图像激光雷达气溶胶侧向散射相函数激光水平遥感测量系统图像去噪预处理气溶胶消光系数复合侧向散射图像激光雷达系统

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