基于物理约束的星载激光雷达多尺度反演方法研究

Three-dimensional information of clouds and aerosols is one of the indispensable parameters in atmospheric transmission, global change, and air quality research. The space-borne lidar is a unique tool for obtaining the global three-dimensional information of clouds and aerosols. Space-borne lidar data retrieving is a significant task for realizing the scientific goal of three-dimensional observation of clouds and aerosols. However, the scientific application of space-borne lidar is greatly limited due to that the existing retrieval methods of space-borne lidar can only be conducted on a fixed scale or ignore physical characteristics of lidar signal, which reduces retrieval precision or spatial resolution. In order to solve the above problems and contradictions, this project proposes to utilize the relationship of different physical variables and scales as constraints, and develop multi-scale retrieval method of space-borne lidar based on the main line of "detecting layers on different scales, fusing detection of multi-scales, retrieving layers on different scales, and fusing retrieval of multi-scales". This method can improve the clouds and aerosols parameter inversion precision and spatial resolution with a given lidar hardware system. The theory and method developed by this project can effectively improve global atmospheric detection ability and potential applications of space-borne lidars. In the meantime, this project will provide theory and method for assisting the launch of the satellite lidar of China and releasing its data products.

云和气溶胶的三维信息是大气传输、全球变化和空气质量等研究必不可少的重要参数之一，当前星载激光雷达是获取全球云和气溶胶三维信息的一种独特手段。星载激光雷达数据反演是实现云和气溶胶三维探测科学目标的一项重要任务。然而，现有的星载激光雷达数据反演方法，只能在固定尺度上进行，而且对信号物理特征考虑不足，因此不能同时兼顾反演的精度和空间分辨率，限制了星载激光雷达的应用。为了解决上述问题和矛盾，本项目提出利用不同变量和尺度之间的物理关系为约束，以“不同尺度层次检测—多尺度层次融合—不同尺度同化反演—多尺度反演联合”为研究主线，发展多尺度星载激光雷达数据反演方法。实现在给定激光雷达硬件系统的条件下，有效提高云和气溶胶参数的反演精度和空间分辨率的目的。本项目发展的理论与方法，可以有效提升星载激光雷达的全球大气探测能力和应用潜力，同时为我国星载激光雷达的发射及其数据产品的推出提供理论和方法支持。

云和气溶胶对全球气候和大气环境产生着重要的影响，对其高时空分辨率的三维观测一直是热点和难点问题。星载激光雷达是全球云和气溶胶垂直探测的有效手段，目前已经成功发射CALIPSO，GLAS，CATS等激光雷达卫星，并且得到了广泛应用，中国星载高光谱分辨率激光雷达也正在研制和计划发射当中。由于星载激光雷达飞行速度快、能源供应少、探测距离远，其观测信号的信噪比极低，因此对云和气溶胶三维信息的反演和应用提出了挑战。主要表现在，(1)现有的星载激光雷达数据层次检测中，容易丢失弱层次和强层次的边缘信息，导致后续反演的云和气溶胶层次光学厚度偏小；(2)标准Fernald法对噪声非常敏感，现有去噪方法一般从数学上进行去噪，而忽略激光雷达信号的物理特点，在去噪的同时容易造成信号失真。针对上述难题，项目发展了基于物理约束的星载激光雷达多尺度反演方法，包括：(1)利用激光雷达比和穿透率之间的物理关系作为约束的多尺度层次检测方法，实验表明该方法在高分辨率下(1和5km)检测到的层次面积占总面积的80.5%，是NASA算法层次检测结果的1.31倍，有利于减少层次漏检和提高层次产品的分辨率。(2)通过将激光雷达垂直信号作为时间序列观测，将激光雷达物理方程转换为状态空间模型作为抑噪的物理约束，利用D-EnKF同化算法进行抗噪的反演方法，并且融合不同尺度数据进行综合应用。结果表明1分钟的D-EnKF算法反演结果优于传统的Fernald方法的64分钟平均结果，有利于白天强背景光下的实时探测，同时有利于在夜晚观测中增加探测高度。本项目发展的理论与方法，可以有效提升星载激光雷达的全球大气探测能力和应用潜力，同时为我国星载激光雷达的研制及其数据产品的推出提供理论和方法支持。总体上，项目按计划顺利完成了预期研究目标，项目成果发表于Remote Sens Enviro、J Geophys Res-atm和Environmental Pollution等高水平期刊，基于项目成果项目负责人受邀于the 6th International Symposium on Atmospheric Light Scattering and Remote Sensing (ISALSaRS'19)和第六届中国激光雷达遥感学术会议作特邀报告。