基于直方圖統(tǒng)計(jì)的云/氣溶膠層次查找算法研究

榮 微，王玉詔

(北京空間機(jī)電研究所，北京100094)

引 言

云和氣溶膠在地球大氣系統(tǒng)中扮演著重要的角色，對(duì)光傳輸、環(huán)境以及氣候等有著重要的影響。例如，它們可以通過吸收和散射太陽光影響地球能量的輻射收支平衡;云的光學(xué)特性、云量以及云的壽命可影響降水［1］。近年來環(huán)境惡化，多發(fā)的霧霾天氣可影響人類的健康［2］。此外，云和氣溶膠的垂直分布廓線也可以輔助主被動(dòng)遙感設(shè)備的大氣傳輸校正［3］。因此，云和氣溶膠的探測(cè)具有重要的意義。

星載云/氣溶膠激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)的遙感設(shè)備，可以對(duì)全球范圍內(nèi)的云、氣溶膠的垂直分布進(jìn)行長時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)，其回波信號(hào)中包含云高、云厚、云相態(tài)以及氣溶膠的光學(xué)性質(zhì)等眾多信息［4-5］，因此需要簡單、快捷、有效的數(shù)據(jù)處理算法來提取所需要的信息。星載云/氣溶膠激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理一般分層次查找、場(chǎng)景分類、層次消光特性反演3個(gè)步驟［6］。層次查找就是確定層次(云、氣溶膠信號(hào))所在的位置。目前現(xiàn)有的層次查找方法有斜率法和閾值法兩種。斜率法是依據(jù)激光雷達(dá)所探測(cè)到的后向散射原始回波信號(hào)對(duì)高度的依賴性來對(duì)層次邊界位置進(jìn)行定位的，要求回波信號(hào)的信噪比高，而星載激光雷達(dá)的信噪比一般很低，因此斜率法不適用于星載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理［7-8］;閾值法是通過檢測(cè)回波信號(hào)中某段高度范圍內(nèi)的信號(hào)是否超過某一個(gè)或者一系列閾值信號(hào)的最大值來判斷層次邊界的［6-7］，該閾值是用來衡量某段范圍內(nèi)大氣是否清潔的臨界值，需要根據(jù)噪聲統(tǒng)計(jì)模型以及經(jīng)驗(yàn)值確定，此外還要根據(jù)探測(cè)到的層次同步更新閾值，層次的提取很大程度上依賴于閾值的設(shè)定，人為因素影響比較大。

本文中介紹一種基于直方圖統(tǒng)計(jì)的層次查找算法，避免了弱信號(hào)與噪聲之間強(qiáng)度的劃分，而是以數(shù)據(jù)的量化間隔為最小單位，從回波強(qiáng)度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)量的角度提取層次信息。根據(jù)多組數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，驗(yàn)證了該方法適用于不同特征的回波信號(hào)，具有高可靠性、適用范圍廣等特點(diǎn)。

1 直方圖分布的層次查找原理

Fig.1 Layer feature of the echo signal

Fig.2 Profile of the attenuated scattering ratios

星載云/氣溶膠探測(cè)激光雷達(dá)可以獲得全球范圍內(nèi)的云、氣溶膠的垂直分布廓線，其中包含多種層次特征，如圖1所示。直方圖分布的層次查找就是根據(jù)直方圖統(tǒng)計(jì)的原理查找出云、氣溶膠對(duì)應(yīng)的層次。圖2是進(jìn)行衰減散射比(總的后向衰減散射數(shù)據(jù)與清潔大氣后向衰減散射數(shù)據(jù)之比)校正之后的回波信號(hào)，從圖中可以看出，清潔大氣的回波信號(hào)均分布在某一個(gè)數(shù)值附近。而云和氣溶膠層的數(shù)據(jù)值偏大且無規(guī)律性。因此對(duì)衰減散射比信號(hào)每一點(diǎn)的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得到如圖3所示的結(jié)果，即清潔大氣處對(duì)應(yīng)數(shù)值的數(shù)據(jù)量明顯大于云、氣溶膠層。直方圖分布的層次查找法就是基于這種思想查找云、氣溶膠層所在的位置。

Fig.3 Histogram distribution

直方圖分布層次查找的步驟如下:(1)計(jì)算回波信號(hào)的衰減散射比廓線，建立“距離-比值”2維矩陣;(2)按照計(jì)算處理的最小單位(0.0001)劃分多個(gè)代表比值的單元，將所有的采樣點(diǎn)放在對(duì)應(yīng)單元中，記錄每個(gè)單元的數(shù)據(jù)量及采樣點(diǎn)的比值;(3)根據(jù)最大層次合并距離l(即在最大層次合并距離之內(nèi)的層次均合并為一個(gè)層次)［2］和數(shù)據(jù)的垂直分辨率d找到數(shù)據(jù)量大于l/d的單元，然后按照比值相鄰且距離相鄰的條件劃分為多個(gè)距離段;(4)求出所找到的所有距離段，求每一個(gè)距離段衰減散射比的平均值，按照距離由高到低查找，如果下一個(gè)距離段衰減散射比的平均值大于前一個(gè)距離段的2倍(根據(jù)經(jīng)驗(yàn))，則舍棄該段，繼續(xù)進(jìn)行查找，直到找出所有的距離段，即為清潔大氣的區(qū)域，除此之外的區(qū)域?yàn)樵坪蜌馊苣z層。

1．1 衰減散射比的計(jì)算

云/氣溶膠激光雷達(dá)回波信號(hào)中包含大氣分子的瑞利散射和云、氣溶膠的米散射。衰減散射比即回波信號(hào)衰減散射數(shù)據(jù)與清潔大氣的衰減散射數(shù)據(jù)的比值。衰減散射比廓線排除了大氣分子后向散射的影響，便于層次查找。信號(hào)總的衰減散射數(shù)據(jù)公式如下［1］:

式中，βp和βm分別為氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(shù);Tp，Tm，TO3分別代表氣溶膠、大氣分子和臭氧的單程透過率。清潔大氣的衰減散射數(shù)據(jù)如下:

因而，衰減散射比為:?

從上式可以看出，在不考慮噪聲的情況下，對(duì)于清潔大氣層，βp(z)=0，Tp(z)=1，因此，R′(z)=1;對(duì)于云、氣溶膠層，R′(z)＞1。因此，經(jīng)過衰減散射比校正的信號(hào)有利于層次提取。

需要指出的是，激光雷達(dá)接收的回波信號(hào)是衰減散射信號(hào)與一個(gè)常數(shù)的乘積關(guān)系，而大氣中的分子成分、分布相對(duì)穩(wěn)定，其衰減散射信號(hào)可以根據(jù)大氣分子模型仿真得到，因此兩者在進(jìn)行比值之前需要定標(biāo)，即采用30km～40km的清潔大氣標(biāo)校兩者常數(shù)，并校正回波信號(hào)。

其中，仿真清潔大氣的衰減散射信號(hào)時(shí)忽略O(shè)3的影響，公式如下［9-10］:

式中，αm為大氣分子的消光系數(shù)。

1．2 直方圖統(tǒng)計(jì)及距離段的提取

從前面的分析可知，清潔大氣處所對(duì)應(yīng)的數(shù)值的數(shù)據(jù)量明顯大于云、氣溶膠層。因此根據(jù)數(shù)據(jù)量大于l/d和對(duì)應(yīng)的距離信息可大致判斷清潔大氣層。但是存在兩種情況(如圖4所示)。

(1)被識(shí)別為清潔大氣層的對(duì)應(yīng)直方圖中的數(shù)據(jù)除了來源于清潔大氣層，還來源于其它距離處(如區(qū)域A所示)。

Fig.4 Layer extraction

(2)被識(shí)別為清潔大氣層的對(duì)應(yīng)直方圖中包含兩組或兩組以上的清潔大氣層(如區(qū)域B所示)。

為了避免以上兩種情況，在進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，查找出連續(xù)且數(shù)據(jù)量大于l/d的區(qū)域之后，還要分析該區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的距離信息，將距離不相鄰的點(diǎn)剔除，距離相鄰的一段或幾段視為清潔大氣。

1．3 云、氣溶膠層次查找

星載激光雷達(dá)至上而下經(jīng)過云層、氣溶膠層、大氣分子的散射吸收作用之后到達(dá)地面，相比于大氣分子的消光作用，云、氣溶膠的消光更強(qiáng)烈。因此，經(jīng)過云、氣溶膠層之后，光源的能量會(huì)得到較大的削弱，清潔大氣層的衰減散射比信號(hào)的比值會(huì)小于1，每經(jīng)過一層云或氣溶膠層，比值都會(huì)有小幅度的減少。因此，清潔大氣層自上而下，衰減散射比是逐漸減小的。由于本方法是基于分布數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的方法識(shí)別回波信號(hào)層次信息的，但是不排除有些較厚的云層的衰減散射比分布在某一數(shù)值附近的特殊情況，如圖5所示。這種情況下依然會(huì)識(shí)別出此段為清潔大氣，為了避免這種情況的發(fā)生，需要將提取的距離段與前一距離段做比較，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，平均值大于前一段清潔大氣平均值的2倍則舍棄該段。如此進(jìn)行下去，直到查找了所有的“清潔大氣”段。

Fig.5 Situation of false clear atmosphere

激光雷達(dá)的信號(hào)包含清潔大氣段和云、氣溶膠段，因此整個(gè)探測(cè)范圍除去清潔大氣段就是要查找的層次段。

2 層次查找結(jié)果

根據(jù)上述介紹，采用直方圖統(tǒng)計(jì)的層次查找算法對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖6a～圖6c是對(duì)衰減后向散射信號(hào)層次查找的結(jié)果(—為清潔大氣層;—·為云、氣溶膠層);圖6d～圖6f將查找出的層次信息還原到了原始信號(hào)中。從圖中的查找結(jié)果可見，直方圖統(tǒng)計(jì)的層次查找算法能夠準(zhǔn)確地查找出衰減后向散射信號(hào)的層次信息，適應(yīng)于不同特征的回波信號(hào)，可靠性強(qiáng)。

Fig.6 Results of layer detection

3 小結(jié)

主要提出了一種基于直方圖統(tǒng)計(jì)的星載云/氣溶膠層次查找算法，從回波強(qiáng)度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)量的角度提取層次信息，有效地回避了閾值法對(duì)于閾值設(shè)定的敏感性。通過數(shù)據(jù)處理的結(jié)果可以看出，針對(duì)不同特征的回波信號(hào)，本方法均可準(zhǔn)確地查找出星載衰減后向散射回波信號(hào)的云、氣溶膠層次信息，因此，本方法是一種具有高可靠性的層次查找算法。

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