技术领域
[0001] 本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法。
相关背景技术
[0002] 大气混合边界层是指由于湍流混合作用使得温度、湿度和污染物等在垂直方向上均匀分布的一层大气，它对自由大气和地表间的物质和能量交换过程起着至关重要的作用。混合层高度通常反映了近地表输送和扩散过程的垂直范围，通常在几百米到几千米之间，取决于地形、天气条件和太阳辐射等因素。混合层高度的特性对天气预报、污染传输和航空安全等方面都有重要影响。基于垂直混合均匀的假设，可以利用气溶胶密度、位温和湿度等发生显著降低的高度来确定混合层高度。传统基于探空气球的探测方法时间分辨率低，难以获取混合层高度的精细变化特征。基于气溶胶激光雷达的探测方法利用气溶胶垂直分布廓线的特性确定混合层高度，但是在遇到有云或者存在残留气溶胶层的复杂边界层结构时就会被严重干扰。
[0003] 相干测风激光雷达已被广泛用于大气风场的探测。基于其反演的垂直风速方差、湍流耗散率等大气运动参数，可以反映大气湍流的垂直分布，进一步利用阈值法可以确定混合层高度。但是垂直风速方差和湍流耗散率的计算容易受到大范围垂直运动、降水回波等的干扰，而且需要雷达以固定的模式工作。多普勒谱宽表示激光雷达探测空间内风速分布的色散程度，直接反映了湍流活动的强度。混合层内的湍流较强，导致回波信号的谱宽较宽；而在稳定层（即混合层上方的层结较稳定的区域），湍流强度较弱，回波信号的谱宽较窄。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0018] 如图1所示，本发明实施例提供一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演方法，包括以下步骤：S1读取经过预处理的单个信号功率谱为 ，其中，f、k分别表示离散频率点和距离门，表示激光雷达探测仰角；如图2所示，垂直探测得到的第50个距离门的大气气溶胶回波功率谱，其中峰值位置表示风速的平均多普勒频移，频谱宽度表示探测空间内的湍流运动强度，该信号来自脉冲宽度为600ns的相干测风激光雷达，对应的空间距离分辨率为
90米，在该较小的空间距离内，可以忽略平均风速的变化，认为信号谱宽的变化来自于湍流贡献。在本发明方法中，激光雷达探测方式可以是垂直探测或者斜向探测,包括固定探测或多方向扫描探测等。探测方位角度和俯仰角度可以是单一角度或者多种角度的组合。
[0019] S2计算每个距离门投影高度的信号谱宽 。由于传统利用二阶中心矩计算谱宽的方法极易受到远端噪声干扰，在低信噪比情况下表现极大波动。因此本发明采用等面积原则来计算谱宽，具体过程如下：首先在给定带宽范围 内，从功率谱 中提取峰值 ，以及峰值所
对应的频率 ，计算每个距离门k的谱宽，公式如下：
；
其中， 为激光雷达探测波长， 为预设信号积分范围，其设定依据典型
信号的谱宽，通常提取典型信号谱宽的3倍，以减小随机噪声引起的积分误差；根据不同探测的仰角 将探测距离信息投影到垂直高度上，得到不同高度上的谱宽，公式如下：
；
其中， ， 为距离门k所对应的探测目标与激光雷达之间的实际
径向距离，h为径向距离在垂直方向上的投影高度。如图3所示，给出了连续18小时探测得到的谱宽。
[0020] S3计算湍流展宽 ；公式如下：；
其中， 表示发射激光脉冲的频谱宽度， 表示拍频信号截断的窗函数频谱宽度；分别通过预设的发射脉冲时域宽度和信号截断的时间窗长度计算得到。
[0021] S4计算给定预设时间窗口内计算湍流谱宽的均值和方差。具体如下：对同一高度层 ，在设定时间窗口 通过以下公式计算得到湍流谱宽均值
和方差 随高度h变化的廓线：
；
；
其中， 表示预设时间窗口 内的不同时刻，N表示时间窗口内的探测数据个数；
预设时间窗口 的长度取决于数据的时间分辨率和大气湍流运动的空间变化尺度，不失一般性可取5‑30分钟。图4和图5分别给出了5分钟时间窗口计算得到的湍流谱宽均值和方差随高度的分布，图中湍流活动表现出明显的时空波动性。
[0022] S5分别根据湍流谱宽均值和方差廓线，识别混合层高度。包括以下步骤：（51）使用设定的阈值判断混合层的高度。在混合层以内，湍流活动导致谱宽增大，在混合层以上，大气运动平稳，谱宽较小。因此通过设定谱宽阈值，当湍流谱宽从地面递减达到阈值时所对应的高度便是混合层高度。同时，湍流活动导致谱宽波动增大，即方差增加，因此也可以通过设定谱宽方差的阈值，利用谱宽方差廓线识别混合层高度。
[0023] （52）使用梯度法识别混合层高度。利用湍流谱宽均值和方差廓线的梯度，寻找湍流谱宽均值和方差随着高度递减最快时所对应的拐点高度，确定为混合层高度。
[0024] 如图4和图5所示，分别给出了利用湍流谱宽均值和方差廓线，基于阈值法得到的混合层高度随时间变化的曲线。其中所述谱宽均值的阈值为1m/s，谱宽方差阈值为1m/s。
[0025] 本发明实施例还提供一种基于相干激光雷达谱宽的混合层高度反演系统，包括：读取模块：读取经过预处理的单个信号功率谱为 ，其中，f、k分别表示离散频率点和距离门，表示激光雷达探测仰角；
信号谱宽模块：计算每个距离门投影高度的信号谱宽；具体如下：首先在给定带宽范围 内，从功率谱 中提取峰值 ，以及峰值所对应的频率 ，计算每个
距离门k的谱宽，公式如下：
；
其中， 为激光雷达探测波长， 为预设信号积分范围，其设定依据典型
信号的谱宽，通常提取典型信号谱宽的3倍，以减小随机噪声引起的积分误差；根据不同探测的仰角 将探测距离信息投影到垂直高度上，得到不同高度上的谱宽，公式如下：
；
其中， ， 为距离门k所对应的探测目标与激光雷达之间的实际
径向距离，h为径向距离在垂直方向上的投影高度。
[0026] 湍流展宽模块：计算湍流展宽 ；公式如下：；
其中， 表示发射激光脉冲的频谱宽度， 表示拍频信号截断的窗函数频谱宽度；分别通过预设的发射脉冲时域宽度和信号截断的时间窗长度计算得到。
[0027] 均值和方差模块：计算给定预设时间窗口内计算湍流谱宽的均值和方差；具体如下：通过以下公式计算得到湍流谱宽均值 和方差 随高度h变化的廓线：
；
；
其中， 表示预设时间窗口 内的不同时刻，N表示时间窗口内的探测数据个数；
预设时间窗口 的长度取决于数据的时间分辨率和大气湍流运动的空间变化尺度。
[0028] 识别模块：分别根据湍流谱宽均值和方差廓线，识别混合层高度，包括以下步骤：（51）使用设定的阈值判断混合层的高度；通过设定谱宽方差的阈值，利用谱宽方差廓线识别混合层高度；谱宽均值和方差的阈值均可设为1m/s；
（52）使用梯度法识别混合层高度；利用湍流谱宽均值和方差廓线的梯度变化，寻找湍流谱宽均值和方差随着高度递减最快时所对应的拐点高度即梯度最大值点，确定为混合层高度。
