气象要素反演方法、装置、设备及介质与流程

本发明涉及气象探测领域，特别是涉及一种气象要素反演方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、降雨过程是全球水循环的重要环节，降雨的微观物理特性，包括雨滴大小、形状、速度和尺寸分布等，对航空安全、气象预报、农业生产、洪水防范等应用领域有重要意义。

2、降雨观测手段应用比较广泛的是雨量计、雨滴谱仪等测量仪器，但是这些测量仪器只能获取地面雨滴谱数据。而为了获得地面上较高水平的雨滴谱信息，通常人工放气球或利用飞机把探空传感器带到空中测量降雨特性廓线，但是时间分辨率低，且价格不菲。另外还会采用雷达进行测量，该雷达主要包括基于微波或者无线电波长的天气雷达、微雨雷达、风廓线雷达等，但是天气雷达体积很大，造价高，微雨雷达仅能进行雨量探测，不能探测气溶胶和风速，而风廓线雷达无法直接测雨。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种气象要素反演方法、装置、设备及介质，具有高时空分辨率，体积小，成本低的优点，可利用不同波长对水吸收特性的不同，进行气溶胶光学特性测量，并反演得到不同高度的雨滴谱分布信息。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供一种气象要素反演方法，包括：

3、接收采用双波长发射机制的多普勒激光雷达的两组大气回波信号；所述双波长发射机制中的两个波长对水分子的吸收特性不同；

4、对所述两组大气回波信号进行相干频率检测和快速傅里叶变换，获得两组相干频谱信息；

5、提取所述两组相干频谱信息的峰值作为后向散射功率信号，根据所述后向散射功率信号计算两个波长测量的不同高度气溶胶的后向散射系数；

6、获取两个波长测量的后向散射系数的比值与地面雨滴平均直径的关系模型，并结合预先建立的后向散射系数与雨滴谱，雨滴直径，不同波长的后向散射效率因子之间的关系，反演得到不同高度的雨滴谱分布信息。

7、第一方面，在本发明提供的上述气象要素反演方法中，还包括：

8、根据所述两组大气回波信号对应的多普勒频移和波长，计算得到风速的径向分量；

9、根据所述风速的径向分量，反演出风速风向信息。

10、另一方面，在本发明提供的上述气象要素反演方法中，对所述两组大气回波信号进行相干频率检测和快速傅里叶变换，获得两组相干频谱信息，包括：

11、对所述两组大气回波信号进行相关频率检测，检测得到的所述两组大气回波信号的频率分别为和；其中，为第一个波长对应的激光发射中心频率；为第二个波长对应的激光发射中心频率；为声光调制频率移动；为对应的大气气溶胶粒子移动造成的频率偏移；为对应的大气气溶胶粒子移动造成的频率偏移；

12、将所述两组大气回波信号转换为电信号，在所述电信号被采集划分距离门后进行快速傅里叶变换，获得两组相关频谱信息。

13、另一方面，在本发明提供的上述气象要素反演方法中，根据所述后向散射功率信号计算两个波长测量的不同高度气溶胶的后向散射系数，包括：

14、针对每个波长，利用水平测量的初始消光系数和第一个距离门的后向散射功率信号能量，获得第一个距离门的后向散射系数；

15、根据第一个距离门的后向散射系数，计算得到第一个距离门的消光系数；

16、利用所述第一个距离门的消光系数迭代到第二个距离门中，结合第二个距离门的后向散射功率信号能量，获得第二个距离门的后向散射系数；

17、重新执行消光系数并迭代到下一个距离门的计算步骤，直至获得所有距离门的后向散射系数。

18、另一方面，在本发明提供的上述气象要素反演方法中，采用下述公式获得各距离门的后向散射系数：

19、；

20、；

21、；

22、；

23、；

24、其中，为波长编号，为距离门编号，为第一个距离门代表的高度，为第一个距离门的后向散射系数，为第一个距离门的后向散射功率信号能量，代表激光雷达参数的乘积值，为第一个距离门的校正因子，为初始大气透过率，为作为迭代的初始消光系数，为距离分辨率，为水平测量的回波能量，为水平测量的高度，为激光雷达比，为第个距离门代表的高度，为第个距离门的后向散射系数，为第个距离门的后向散射功率信号能量，为上一距离门计算得到的大气透过率。

25、另一方面，在本发明提供的上述气象要素反演方法中，后向散射系数与雨滴谱，雨滴直径，不同波长的后向散射效率因子之间的关系的表达式为：

26、；

27、；

28、其中，为第一个波长对应的后向散射系数，为第二个波长对应的后向散射系数，为雨滴直径，是单位尺度间隔下的雨滴数，为雨滴直径尺度间隔内的雨滴数，为雨滴谱分布，为第一个波长激光的后向散射效率因子，为第二个波长激光的后向散射效率因子。

29、另一方面，在本发明提供的上述气象要素反演方法中，采用下述公式得到所述雨滴谱分布信息：

30、；

31、其中，为地面雨滴平均直径，为雨滴数浓度参数，为雨滴直径，为分布形状因子。

32、为了解决上述技术问题，本发明还提供一种气象要素反演装置，包括：

33、回波信号接收模块，用于接收采用双波长发射机制的多普勒激光雷达的两组大气回波信号；所述双波长发射机制中的两个波长对水分子的吸收特性不同；

34、频谱信息获取模块，用于对所述两组大气回波信号进行相干频率检测和快速傅里叶变换，获得两组相干频谱信息；

35、后向散射系数计算模块，用于提取所述两组相干频谱信息的峰值作为后向散射功率信号，根据所述后向散射功率信号计算两个波长测量的不同高度气溶胶的后向散射系数；

36、雨滴信息反演模块，用于获取两个波长测量的后向散射系数的比值与地面雨滴平均直径的关系模型，并结合预先建立的后向散射系数与雨滴谱，雨滴直径，不同波长的后向散射效率因子之间的关系，反演得到不同高度的雨滴谱分布信息。

37、为了解决上述技术问题，本发明还提供一种气象要素反演设备，包括：

38、存储器，用于存储计算机程序；

39、处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述的气象要素反演方法的步骤。

40、为了解决上述技术问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的气象要素反演方法的步骤。

41、从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种气象要素反演方法，该方法包括：接收采用双波长发射机制的多普勒激光雷达的两组大气回波信号；双波长发射机制中的两个波长对水分子的吸收特性不同；对两组大气回波信号进行相干频率检测和快速傅里叶变换，获得两组相干频谱信息；提取两组相干频谱信息的峰值作为后向散射功率信号，根据后向散射功率信号计算两个波长测量的不同高度气溶胶的后向散射系数；获取两个波长测量的后向散射系数的比值与地面雨滴平均直径的关系模型，并结合预先建立的后向散射系数与雨滴谱，雨滴直径，不同波长的后向散射效率因子之间的关系，反演得到不同高度的雨滴谱分布信息。

42、本发明的有益效果在于，本发明提供的上述气象要素反演方法，采用了多普勒激光雷达来得到大气回波信号，具有更高时空分辨率，体积小，成本低的优点，并且本发明所采用的多普勒激光雷达具有双波长发射机制，可以利用不同波长对水吸收特性的不同，进行气溶胶光学特性测量，得到两个波长测量的气溶胶的后向散射系数，获取两个波长测量的后向散射系数的比值与地面雨滴平均直径的关系模型，根据该关系模型以及预先建立的后向散射系数与雨滴谱，雨滴直径，不同波长的后向散射效率因子之间的关系，用于激光雷达后期的雨滴谱分布信息的反演，另外，本发明的激光雷达可获取不同高度的后向散射系数，相较于传统雨滴谱探测仪器，能够获取不同高度的雨滴分布，实现多高度的气象要素测量。

43、此外，本发明还针对气象要素反演方法提供了相应的气象要素反演装置、气象要素反演设备及计算机可读存储介质，与上述提到的气象要素反演方法具有相同或相对应的技术特征，效果同上。