/pylidar

初始化

Primary LanguagePython

介绍

激光雷达解析、反演、可视化程序

激光雷达设备及数据格式

  • 设备说明: Raymetrics LR111-D300型激光雷达是一种主动式激光遥感仪器,旨在提供丰富的大气信息,包括气溶胶负荷、PBL混合高度、火山灰的明确识别和灰层高度。该系统还可以升级到探测水蒸气,允许进行远程湿度剖析(仅在夜间)。为气象和航空应用而设计,其规格是根据英国气象局和EARLINET(欧洲激光雷达网络)的要求确定的,使LR111-D300可能成为商业上最强大的眼球安全气溶胶激光雷达。

  • 产品参考链接:引用日期2021-05-06

  • 数据格式 产品数据格式为标准Licel格式即ascii格式文件头binary数据块。

     RM2173122.131155                                                             
     full     31/07/2021 22:12:11 31/07/2021 22:13:11 0110 113.5696 22.1657 -90.0 0.0 29.8 986.7
     0001201 0020 0001201 0000 06                                                 
     1 0 1 16230 1 0820 7.50 00355.p 0 0 09 000 12 001201 0.100 BT0               
     1 1 1 16230 1 0820 7.50 00355.p 0 0 00 000 00 001201 3.9683 BC0              
     1 0 1 16230 1 0900 7.50 00355.s 0 0 09 000 12 001201 0.100 BT1               
     1 1 1 16230 1 0900 7.50 00355.s 0 0 00 000 00 001201 3.9683 BC1              
     1 0 2 16230 1 0800 7.50 00387.o 0 0 09 000 12 001201 0.100 BT2               
     1 1 2 16230 1 0800 7.50 00387.o 0 0 00 000 00 001201 3.9683 BC2              
     # 空行
     #以下开始是二进制数据块
    
     第1行(文件名):RMyyMddhh.mmssmsms
    
     第2行(站点信息):
     站点名 开始时间 结束时间 海拔(m) 经度 纬度 天顶角 方位角 地表温度(℃)地表气压(hPa)
    
     第3行(发射器信息):激光器1发射次数 激光器1重复频率 激光器2发射次数 激光器2重复频率 数据集个数
    
     第4~6行:各数据集信息采集信息
     [1 0 1] 			数据是1/否0存在 模拟0/光子1计数模式 激光器1/2
     [16230]				数据bins
     [1]					固定值
     [0820 7.50 00355.p] PMT高电压值 bin宽度(m) 激光波长和极化方式(o-无极化;s-垂直;p-平行)
     [0 0 09 000]		向后兼容性
     [12 001201]			模拟数据集ADC位数,否则为0 拍摄次数
     [0.100] 			模拟数据集,以mVolt为单位的输入范围;光子数据集,鉴别器级别
     [BT0]				数据集描述和瞬时记录器编号,BT=模拟数据集,BC=光子数据集,
    

    数据集描述后跟一个额外的 CRLF。数据集是 32 位整数值。数据集由 CRLF 分隔。最后一个数据集后面是 CRLF。这些 CRLF 用作标记,可用作文件完整性的检查点。

  • 设备通道信息

    通道数 波长 极化方式 信号记录方式
    通道1 355 p BT
    通道2 355 p BC
    通道3 355 s BT
    通道4 355 s BC
    通道5 387 o BT
    通道6 387 o BC

激光雷达产品分类

廓线产品包括:

  • 1级: 距离修正后的回波信号
  • 2级: 气溶胶后向散射系数廓线、气溶胶消光系数廓线、退偏比廓线、色比廓线
  • 3级: 浓度等其他参数

非廓线产品包括:

  • 大气边界层高度
  • 气溶胶光学厚度
  • 云底、云高
  • 其他

产品反演原理概述

  • 距离修正后的回波信号: 对环境监测激光雷达探测得到的数据进行二进制读取(bin_data)、通道拼接(channel_data)、雷达信号计算(raw_data)、 几何因子修正(overlap_correct)、背景噪声去除(background_correct)、平滑(smoothing)和距离平方修正(dis_correct)后得到的信号(rcs)。

  • 气溶胶后向散射系数廓线/气溶胶消光系数廓线: 根据估计的分子后向散射系数(bate_mol),基于Fernald方法进行雷达方程求解得到气溶胶后向散射系数(beta_aero)。根据雷达比(lidar_radio)和beta_aero得到气溶胶消光系数(extin_aero)

  • 退偏比廓线: 取532mn的垂直后向散射强度和平行后向散射强度之比,结果即为退偏比(dr)。

  • 色比廓线: 不同波长的后向散射强度之比:

  • 颗粒物浓度廓线: 通过气溶胶消光系数廓线,以退偏比廓线为辅助,通过poliphon1阶和2阶算法反演得到。

  • 边界层高度: 重力波梯度演算法(专利号 CN 103135113 B) 对每一距离订正回波信号,开三次方后求其梯度,梯度最小值所对应的散射目标高度即为大气边界层高度(pbl),具体如以下公式所示: $$h_{CRGM}=min⁡[(\frac{∆(RCS)^{(1/3)}}{∆R}]$$ 其中,RCS为距离订正回波信号;R为该回波信号对应的散射目标高度

  • 气溶胶光学厚度: 将消光系数随高度进行积分,就能够得到气溶胶的光学厚度(AOD)。

  • 云底、云高: 阈值法判断当前时刻是否有云进而计算云底(cloud_bottom)、云高(cloud_top)。

*其中,大气边界层高度和云高等产品主要是基于定性处理,糈度高:气溶胶后向散射系数廓线、气溶胶消光系数廓线、颗粒物浓度廓线、气溶胶光学厚度等产品主要是基于定量处理,糈度较低:

不确定性分析

激光雷达反演的误差来源,主要在于一个方程(激光雷达信号方程)解两个未知数(大气气溶胶的消光系数和后向散射系数均为未知)。在反演时,一般假设大气气溶胶的消光系数和后向散射系数两者比值固定(称为激光雷达比)。 应用Fernald法后向反演激光雷达方程时,需要先确定3个参数:激光雷达比、定标高度(后向反演的起始高度)以及该高度处的大气气溶胶消光系数。

  • 激光雷达比 气溶胶的激光雷达比与气溶胶粒于的折射率、尺寸、形态和组成等诸多因素有关,而实际气溶胶葙子的尺寸、形态、组成、折射率等参数的差异很大,因此难以确定气溶胶激光雷达比。实际反演消光系数时,人们通常依据不同参考条件来确定大气气溶胶的激光雷达比值,例如有文献指出,火山爆发后大量气溶胶进 人平流层,此时大气气溶胶的激光雷达比分别取40(6 ~ 15km),22(15 ~ 20km),40(20 ~ 25km)和43(25 ~ 30km),对处于背景期的平流层气溶胶和对流层气溶胶,激光雷达比的参考值可以设置为50。