摘 要: 报道了新研制的一种便携式激光测云仪,该设备由光学、电子和机械三部分组成,采用单片机处理回波信号、识别云底高度,并给出了该激光测云仪的相关参数。将回波斜率突增点作为云底定义点,利用云回波在上升斜率、脉冲宽度和幅度上与大气回波及噪声脉冲间的差异,识别反演出云底高度。另外,同一位置连续测量数次,可以剔除干扰噪声。与计数式激光测云仪进行了实测比较,数据基本吻合。结果表明:便携仪的云高识别算法基本合理、可行,便携仪中所采用的剔除大气回波伪信号算法能提高系统的测低云性能,智能识别算法能滤除干扰噪声。最后,需要对算法进行进一步的优化。
云是影响飞机起飞、着陆和飞行安全最重要的气象要素之一。飞行保障要求必须实时、准确报告云底高度,激光雷达是一种测量云底高度的有效工具。随着激光和电子技术的发展,测云激光雷达(通常称激光测云仪)技术得到很大提高。近几年来,对激光回波的实时高分辨数据采集方式逐步取代了脉冲计数工作方式[1],智能、便携、实时和动态范围大是新一代激光测云仪的特点。合理的信号处理方法,不仅能扩大测云仪的动态范围,而且能减小它的漏测和误测率。不同构造的设备有不同的回波采集和信号处理手段,如:芬兰Vaisala公司研制的CT25K激光测云仪[2]采用DSP(数字信号处理)技术;美国NASA研制的微脉冲激光雷达(micropulse lidar)[3],采用微处理机带多通道计数卡方式。对云底高度的反演主要有阈值法、微分零交叉法[4]和Klett[5]方法等等。本文报道的便携式激光测云仪采用普通单片机处理回波信号和反演云底高度。
1 便携式激光测云仪
便携式激光测云仪(以下简称便携仪)由光学、电子和机械三部分组成。图1是它的外形和原理方框图,表1是系统参数摘要。便携仪的光学部分主要包括激光发射、接收和瞄准三个单元,它们的光轴相互平行。便携仪的电子部分包括信号的伺服放大、采集、通信、显示和控制处理五个单元,由80C196单片机控制和管理系统的正常运行,并完成对回波的采集、处理和信息反演,距离分辨率为7.5 m。图1中的AGC是接收机增益自动控制电路,用来抑制500 m范围内的大气散射。整个光学、电子单元安装在一个由三角架支撑的平台上,平台的方位角和俯仰角可手动调节,角度信息由单片机自动录入。便携仪有本地手动和遥控自动两种工作方式,云底高度的计算结果和数据既可以在本机显示,也可以通过通信端口送往其它设备。
2 云底高度反演方法
2.1 云底定义
《气象仪器和观测方法指南》[7]中,对云底有如下定义:云底,是云的最低部分,在那里,肉眼看到的天空朦胧类型由晴空或霾的朦胧型转变为水滴或冰晶的朦胧型。云的种类繁多,形状千姿百态,每块云中云滴的尺度、浓度和含水量不同,引起后向散射的激光回波也不相同,所以,由仪器测量确定的云底始终是一个有争议的问题。但总体看来,云由水滴或冰晶凝结聚合而成,当激光从大气进入云时,在云的边界处将会产生很强的后向散射,散射信号的大小与激光功率、云底高度、云的类型、大气特性和激光雷达性能参数有关。通常情况下,探测的距离越远,接收机所接收到的后向散射信号也越弱,这样,通过分析激光回波的变化,可以判别云底位置,计算云底高度。
阈值法采用脉冲前沿鉴别,认为当激光回波幅度大于某预定阈值时所对应的高度位置即云底。这种方法将云类比于固体目标,适用于距离不太远(也不能太近)、有明显界面云的探测,但不适合远区结构稀薄、信噪比较小的云和存在大气强散射、近距离低云的探测。前者有可能出现漏测,后者有可能出现误测。
Pal[4]等(1992年)认为云底应位于高度-后向散射回波图上斜率(微分信号dP/dr)从负到正的“零”交叉处,这个观点被大多数人认可,便携仪中也认同这种观点。但在便携仪的接收机中,由于存在隔直电容,使激光的回波形式发生了变化(见图2),所以取回波斜率突然增大点(图2中的SL1,SL2)作为云底定义点rb,结合阈值法并分析回波的其它特征,判别和反演云底高度,得到与实际基本相符的结果。
2.2 云底高度反演方法
只考虑单次散射时,云对激光的回波强度满足光雷达方程
式中:P(r)为距离r处的大气后向散射强度信号(V);χ为激光雷达仪器常数(V·m-3·sr);β(r)为r处的大气后向散射微分截面(m-1·sr-1);σ(r)为r处大气的消光系数(m-1)。
通过隔直流电容后,(1)式变成
式中:c为光速,c=3×108m/s;τ为接收电路的时间常数,τ=RC,单位s,其中,R是负载电阻,C指隔直流电容。
由式(2)可知,在便携仪仪器常数确定的情况下,接收机所收到的激光回波强度信号P(r)主要取决于大气和云体的后向散射微分截面β(r)(或消光系数σ),β(r)越大,P(r)越强,同时衰减越快。比式(1)多出的指数项exp[-r/(cτ)]更加快了P(r)的衰减速度,τ越小,P(r)衰减得越快。由于云体后向散射微分截面远大于气溶胶,所以,当激光在大气中传输遇到云时,P(r)将迅速增大,出现一个突变的P(r)信号。图2是2002年7月7日14:42便携仪观测云底高度的一个实例,观测时的仰角为75°。从回波强度廓线图上可以看出,设备测到了两层云,SL1处是第一层,SL2处是第二层。激光传输在距离500 m范围内所遇到的大气后向散射很强,几乎将第一层云的信号淹没,超过500 m后大气散射逐步减弱,3 000 m后噪声起伏明显,当激光继续传输到距离4 870 m处遇到了第二层云,云所产生的强烈后向散射,形成了一个多峰脉冲信号,多峰结构主要由云中的不均匀或存在冰晶体所致。经过第二层云的剧烈吸收和散射,激光功率基本上消失殆尽,此后的P(r)-r廓线图上出现更加明显的噪声起伏并越来越大,在6 630 m附近还受到一个很大的尖峰干扰。
分析便携仪的回波强度廓线图可以明显看出,SL1与SL2的共同特点是均位于P(r)-r曲线上斜率(微分信号dP/dr)的突然增大处。然而,几乎所有噪声起伏也符合这个特征,而近距离的大气强散射和气溶胶团也有可能满足该条件,因此,需要找到云回波有别于噪声脉冲和大气气溶胶散射的其它特征,才有可能正确识别出云信号。
通过仔细观察,发现云回波有下面的特征:(1)是单峰或多峰脉冲信号;(2)斜率梯度大,上升时间短;(3)相对幅度高;(4)脉冲宽度介于气溶胶散射峰和噪声脉冲二者之间;(5)具有时间相关性;(6)云越高,回波幅度越小,噪声起伏越大。
2.3 信号处理方法
剔除噪声虚假信号。针对便携仪受干扰时偶尔出现的噪声脉冲,采用下面的剔除方法:瞄准同一位置的云体连续发射数次激光,回波位置基本一致是云回波;否则按噪声处理。
计算噪声起伏标准偏差
式中:N为便携仪以距离分辨率7.5 m对回波采集的量化个数。E[P(r)]为P(r)的算术平均值,E[P(r)]=1N∑NI=1P(ri)。
计算与噪声相关的相对起伏值,即
式中:Pmax(ri)和Pmin(ri)分别是P(rj-n/2),P(rj-(n-1)/2),…,P(rj+n/2)中的最大和最小值,取n=4。
确定P(r)分段阈值P0和斜率分段阈值S0。以3 000 m为界,设置了两个分段阈值:3 000 m以下,P0=2×δ+E[P(r)],S0=k1×δ;3 000 m以上,P0=3×δ+E[P(r)],S0=k2×δ。k1,k2由大量实测数据统计设定。
求P(ri)的微分曲线,寻找斜率突增点。将各个P(ri)与P0相比较,当P(ri)>P0、同时存在ΔP(ri)/Δr>S0,ΔP(ri+1)/Δr>0,ΔP(ri+2)/Δr>0时,是上升斜率突增点ri。
判断是否是云回波。求脉冲峰值点φ(rpeak、最大上升斜率Smax(ri)和脉冲宽度T(ri),如果φ(rpeak)<φ0 peak,Smax(ri)>S0 max同时存在T(ri)≤T0,判断是云回波,由斜距SL可以求出云底高度rb。φ0 peak,S0 max和T0由大量的测云统计事先设定。
3 测云对比实验
便携式激光测云仪于2002年6月20日至7月20日期间在广东佛山机场与原有设备“计数式激光测云仪”进行了为期一个月的云高实测对比试验,每次测量中,两台设备基本瞄准同一块云,但不是同一点。试验期间,出现低云天气较多,由于便携仪的反演方法基本合理,其测低云性能明显优于计数式测云仪。图3是试验期间两种设备的统计数据对比曲线,图中断点起因于佛山地区的中、高云比较少,测云偏差主要来源于两台设备观测云中的区域不一致,但总体看来,测量结果基本吻合。
4 结 论
便携仪采用简单的、针对原始回波强度信号反演云底高度的方法,简化了测云仪的计算处理过程,同时避免了采用高级计算机的复杂运算。廉价的、普通单片机的应用既降低了设备成本,又提高了设备的机动灵活性。
通过与计数式激光测云仪历时一个月的云高实测对比,可以初步得出下面的结论:便携仪的云高识别算法基本合理、可行;便携仪中所采用的剔除大气回波伪信号算法,能提高系统的测低云性能;便携仪中的智能识别算法,能滤除干扰噪声。
然而,实验中也发现该算法仍然存在对某些界面不清晰云体难以识别的问题,需要对算法进行进一步的优化工作。
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本文作者：王青梅, 张以谟, 刘铁根, 郑义忠
