单波长米散射Scheimpflug激光雷达大气消光系数反演方法研究

The Scheimpflug lidar (SLidar) technique, as a novel atmospheric remote sensing technique, has a great potential for atmospheric aerosol detection applications. However, the key problems of the SLidar technique in terms of extinction coefficient retrieval has not been solved. The sophisticated noise sources and decreasing range resolution over distance have significant impact on the result of the extinction coefficient retrieval，which are also the main issues and challenges when retrieving the extinction coefficient from the lidar signal. This project is focused on the key issues of the inversion algorithm of the extinction coefficient, based on the noise characterization and de-noising techniques as well as the Fernald inversion algorithm, in combination with experimental validation and analysis. The research content includes studies on signal processing methods, inversion algorithm and experimental validation, aiming at realizing the inversion method of the atmospheric extinction coefficient for the SLidar technique and providing methodological and technical supports in atmospheric applications.

米散射Scheimpflug激光雷达（SLidar）技术作为一种新型大气激光雷达技术，在大气气溶胶分布探测应用研究方面具有巨大的潜力。但是，作为SLidar技术在大气参数定量化探测方面的核心问题之一的大气消光系数反演求解问题尚未解决。SLidar技术大气回波信号噪声来源、特征复杂，距离分辨率随测量距离增加而下降，这成为影响SLidar技术大气消光系数反演结果的主要因素，也是消光系数反演过程中面临的主要问题和挑战。本项目以噪声特征分析和降噪技术、Fernald反演算法模型为基础，结合实验分析与验证技术手段，围绕消光系数反演过程中的关键科学问题开展探索性研究。本项目将重点开展大气回波信号预处理方法，大气消光系数反演算法以及反演算法实验验证等研究工作，致力于实现适用于非均匀大气条件下单波长米散射SLidar技术的大气消光系数反演方法，为其在大气气溶胶分布探测中的实际应用提供重要的方法和技术支撑！

米散射沙氏大气激光雷达（Scheimpflug Lidar，SLidar）作为一种新型大气激光雷达技术，具备结构紧凑、探测盲区小、低维护、高性价比等特色，在大气环境监测方面具有重要的应用价值。本项目围绕SLidar技术大气消光系数反演方法这一关键问题开展研究工作，主要研究内容与成果如下。.（1）项目组深入分析了图像传感器噪声、大气背景噪声等特征以及对大气回波信号信噪比的影响，提出并实现SLidar技术大气回波信号预处理一般方法，并考察不同信号噪声特征下的适用性和信噪比改善效果。在此基础上，提出并实现了基于傅里叶分析和Savitzky–Golay滤波器的自适应滤波算法。（2）建立了以道格拉斯-普克算法为核心的边界值求解方法，实现了SLidar大气消光系数反演的Klett-Fernald算法模型。利用多个不同波段的沙氏大气激光雷达系统开展实验测量及反演研究工作，初步验证了算法模型的可靠性。（3）利用脉冲式大气激光雷达系统，开展了详细的对比分析研究，进一步论证了SLidar技术及反演方法的可靠性。同时，分析和探讨了沙氏成像原理与传统成像方式探测结果的差异。（4）利用SLidar系统和消光系数反演方法开展了大气环境扫描测量应用研究，实现了大气污染源的扫描探测与分析。利用Klett-Fernald反演方法，对小型化激光雷达系统、双波长、三波长大气激光雷达系统测量结果进行了分析，获取波长指数，为大气粒子尺度分析提供了重要的技术手段。基于前期研究结果，提出了基于成像原理的偏振成像大气激光雷达新方法，突破了传统方法需要定期标定、偏振失配角未知等应用瓶颈问题。.综上所述，本项目的研究工作为沙氏大气激光雷达技术在大气遥感定量化探测方面奠定了重要的基础，研究成果在大气环境监测领域实现了应用与成果转化。在项目执行期内，在国内外本领域主流学术刊物上发表高水平SCI论文16篇，会议论文5篇，授权软件著作权2项，申请发明专利4项。参加国际学术会议ILRC，国内激光雷达会议，国内召开的国际大气光散射会议等10人次以上，邀请国内专家来访，主办大气激光雷达研讨会；此外，培养硕士生研究生7名，培养博士2名。