基于神经网络的侧向激光雷达信号去噪算法

针对侧向激光雷达应用于气溶胶探测领域时,雷达回波信号易受噪声影响这一问题,本文提出了一种基于神经网络的激光雷达信号去噪算法。该算法在卷积神经网络基础上融合残差学习法和批量标准化,引入了注意力机制,改进激活函数,提升了网络性能和学习效率。采用本文提出的方法对噪声进行预测,实现了信号和噪声的有效分离,提高了侧向激光雷达CCD图像的信噪比。实验结果表明,使用本文提出的去噪算法对侧向激光雷达CCD图像进行去噪,图像的峰值信噪比提高了约5 dB,信号相对误差减小至9.62%,本文提出的去噪算法优于小波变换、维纳滤波等去噪方法,验证了该方法的可行性和实用性。

基于CCD的侧向激光雷达系统研制及探测个例

后向散射激光雷达技术已广泛应用于大气气溶胶的探测，但由于有盲区和过渡区，限制了它在近距离段的探测范围和精度。侧向散射激光雷达技术没有后向散射激光雷达技术中的上述缺陷，可实现近距离段气溶胶信号的连续探测，且探测精度较高。开发研制了基于CCD的侧向散射激光雷达系统，它由激光发射、光学接收、几何定标及数据采集等子系统组成。与后向散射激光雷达的对比探测个例表明，该激光雷达系统数据可靠，近距离的有效探测范围为0.02~4 km。这一系统的建立为进一步深入研究近地面层的气溶胶时、空分布奠定了坚实的基础。

OpenMP并行计算在侧向散射激光雷达数据处理中的应用

基于CCD的侧向散射激光雷达是一种正在研究中的新技术,其需要对多幅图片进行处理,传统的数据处理方法消耗时间较长。如何提高计算效率是当前数据处理中的一个难题。对侧向散射激光雷达数据处理中的计算任务进行分析,总结出需要采用并行计算提高效率的关键任务。基于OpenMP标准,设计了两种并行算法,并通过个例对其有效性进行验证。结果表明,两种并行算法合理可行,结合后在不同性能的设备上均能显著提高侧向散射激光雷达数据处理的效率。

侧向散射激光雷达数据预处理软件设计与实现

侧向散射激光雷达在近距离段的探测精度很高,是对后向散射激光雷达很好的补充。侧向散射激光雷达作为一种新技术,其记录的数据是图像信号,需要进行预处理并提取出有用的散射光强信号,以便进行后续的研究。根据侧向散射激光雷达数据的特点与预处理的需要,基于VC++及OpenCV,设计了预处理软件。该软件操作简单,使用方便,运行稳定可靠,可扩展性较强。

基于CCD的侧向散射激光雷达信号提取方法

后向散射激光雷达是探测大气气溶胶空间分布的强有力手段,但由于盲区和过渡区的存在,限制了它在近距离段的探测范围和精度。基于电荷耦合器(CCD)的侧向散射激光雷达可实现近距离段气溶胶信号的连续探测,且探测精度较高。分析了侧向散射激光雷达中干扰光和背景光的特点,找到了减少它们的方法。分析了激光在大气中产生侧向散射光的特点,找到了同一距离处侧向散射光的叠加方法。应用Matlab编程实现了对信号的自动提取,并与后向散射激光雷达信号进行了实验比对,结果表明该信号提取方法是可靠的、可行的。

基于CCD侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量研究

基于侧向散射激光雷达方程和Mie散射理论,建立了PM2.5浓度与侧向散射光强的关系模型,提出了一种基于电荷耦合器件（CCD）实时监测近地面PM2.5浓度的方法。设计了以波长532nm激光器为光源、CCD为接收器的侧向散射激光雷达装置,利用该装置测量了散射角在15°-45°之间的侧向散射回波信号图,从回波信号图提取灰度值矩阵并分析其光强分布。与赛默飞世尔科技公司PM2.5监测仪（SHARP）提供的测量结果对比,拟合了PM2.5浓度与3个灰度等级光总能量的关系式,拟合度均在0.97以上。该装置具有操作便利、移动便捷、监测实时、成本较低的特点,在近地面比后向散射激光雷达具有更高的精度与实用性,有助于建立PM2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图。

侧向散射激光雷达探测白天近地面气溶胶探测技术

基于CCD的侧向散射激光雷达不受几何因子的影响,是探测近地面气溶胶的有力工具。夜晚的探测技术已成熟,由于背景光中夜晚的月光和星光远弱于白天的太阳光,故利用夜晚探测技术得到的白天气溶胶信噪比很低。实验中选用窄带滤光片和小张角镜头,通过校正窄带滤光片透射率、缩短单次曝光时间、多次曝光平均等技术可有效提高白天探测气溶胶的信噪比。白天个例表明,侧向散射激光雷达与后向散射激光雷达反演的气溶胶后向散射系数廓线在0.75~1.50km范围内的变化趋势一致,并对0.75km以下侧向散射激光雷达探测的正确性进行了验证。对合肥地区近地面气溶胶后向散射系数进行了37h的连续昼夜探测,并与同一地点的温度、PM2.5质量浓度联合进行分析。研究表明,改进后的白天侧向散射激光雷达技术是正确、可行的。

激光雷达探测对流层气溶胶消光系数的统计分布

集后向散射激光雷达、侧向散射激光雷达及拉曼散射激光雷达为一体的激光雷达系统在探测对流层气溶胶消光系数时具有两个明显的优点,一是反演时不需要假设激光雷达比(LR),二是不存在近地面的过渡区和盲区。在2017年1月至2018年12月期间,利用一体化激光雷达系统在合肥进行了146天的数据探测,并对气溶胶消光系数进行了反演和统计分析,得出了气溶胶LR平均值为68.4 sr及LR平均值随月份的分布规律,还有气溶胶消光系数月平均、季平均及年平均情况。个例分析表明,高度在0.6 km以下的气溶胶消光系数随高度和时间的变化很复杂,传统后向散射激光雷达很难探测到。对比分析了利用LR经验值反演气溶胶消光系数引起的误差大小。这些探测结果为研究大气污染传输和大气污染防治提供了科学依据。

基于侧向散射技术的近地面气溶胶后向散射系数廓线探测

气溶胶是大气中污染物PM2.5和灰霾的主要成分,近地面的气溶胶直接影响人们的生活和生产。利用电荷耦合器件(CCD)侧向散射激光雷达系统和相应的反演方法,对探测到的数据进行处理和分析。与后向散射激光雷达对比,验证了CCD侧向散射激光雷达探测结果的正确性。分析了2014年4月合肥西区董铺岛3 km高度范围内气溶胶后向散射系数的特点:随时间和高度变化;天气晴好时,地面上后向散射系数与地面站PM2.5质量浓度成正比;紧贴地面有一层较厚气溶胶。实验探测结果表明基于CCD的侧向散射激光雷达是探测近地面气溶胶浓度的一种有效的新方法。

2014年合肥西郊PM_(2.5)质量浓度廓线统计分布

反演PM_(2.5)(直径小于2.5μm的颗粒物)质量浓度廓线,不仅可以估算污染物的柱浓度,还可研究污染物在空间的扩散规律,为防控大气环境污染提供科学支撑。假设在大气边界层内一次PM_(2.5)质量浓度廓线的探测过程中,气溶胶的种类和成分保持不变,则根据地面上气溶胶消光系数与PM_(2.5)质量浓度之间的比例关系,即可把激光雷达反演出的消光系数廓线转化为PM_(2.5)质量浓度廓线。分析了两个晚上PM_(2.5)质量浓度廓线个例及其随时空变化的情况,并对2014年3月至2015年2月探测到的82个晚上的数据按季节进行平均,获得了PM_(2.5)质量浓度廓线的季节平均值。

合肥西郊2014年近地面气溶胶后向散射系数廓线统计分布

为了给环保部门防控大气污染提供科学依据,联合侧向和后向散射激光雷达系统对近地面气溶胶后向散射系数廓线进行高分辨率探测。分析发现,近地面气溶胶后向散射系数廓线随高度变化不尽相同,大致分为4种情况:多层结构、随高度升高而增加、随高度升高而减小以及不随高度变化。分析了连续两个夜晚的气溶胶后向散射系数廓线随时空的变化情况,并对2014年3月至2015年2月合肥西郊82个夜晚数据进行了统计分析,得出近地面气溶胶后向散射系数廓线按季节的分布规律。

近地面PM2.5质量浓度廓线反演方法及个例研究

分析了气溶胶消光系数和PM2.5质量浓度之间的关系,提出了利用电荷耦合器件(CCD)侧向散射激光雷达系统和PM2.5颗粒物探测仪相结合,反演PM2.5质量浓度廓线的方法。通过个例研究,得出了在相对湿度变化不大时,地面上PM2.5质量浓度和气溶胶消光系数成线性关系;分析了2014年4月13日和2014年12月16日合肥西区董铺岛PM2.5质量浓度廓线特征:随时间变化,在空间上是有结构的,在紧贴地面有较重的污染物层。探测实验结果表明基于CCD的侧向散射激光雷达和PM2.5颗粒物探测仪相结合是探测近地面污染物质量浓度廓线行之有效的新方法。