一种便携式激光测云仪的云底高度反演方法

　　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

     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。