基于最优估计法的瑞利激光雷达大气温度反演研究.pdf

摘要

中层大气的温度变化对于人类的生产活动具有重要影响，因此实现对大气

温度的有效测量是大气遥感与探测领域的重要研究方向。在各种探测手段中，

瑞利激光雷达主要依赖气体分子的瑞利散射效应实现对大气温度的探测，是一

种有着较高时间、空间分辨率的主动探测设备。大气温度反演算法是瑞利激光

雷达领域的重要研究内容，然而，传统反演方法在反演结果的有效范围方面具

有局限性。最优估计法是一种广泛应用于大气被动遥感领域的测量方法，可以

通过统计反演的方法实现对瑞利激光雷达大气温度的探测。本文开展了基于最

优估计法的瑞利激光雷达大气温度反演研究，主要内容和创新点如下：

1.开展了瑞利激光雷达的大气温度最优估计反演理论研究。利用激光雷达

方程，建立了最优估计法中描述回波信号和大气温度信息之间的映射关系的正

向模型。基于正向模型和贝叶斯理论，建立了最优估计反演中的成本函数，并

对成本函数的最优估计解进行了分析。阐述了最优估反演过程中的平均核矩阵，

用于评估真实信息对最优估计法反演结果的贡献。给出了最优估计法中进行反

演结果不确定度评估的主要方式，并对各种不确定度进行了解释。

2.基于NRLMSISE-00模型产生的瑞利激光雷达模拟回波信号，开展了大

气温度的最优估计反演仿真研究。利用Levenberg-Marquardt算法对成本函数进

行迭代处理，得到了大气温度廓线的最优估计反演结果。仿真研究的结果中，

在80km以下，大气温度廓线的反演误差小于5K，反演不确定度小于10K，

且各高度真实信息对反演结果的贡献较大；最优估计法提升了大气温度反演结

果约10km的有效范围，且在无需去噪的前提下，可以较灵敏地反演大气温度

中的波动信息。

3.利用中科院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测回波数据对大气温度

进行了最优估计反演研究。分别利用NRLMSISE-00模型和CIRA-86模型作为

先验温度，进行了大气温度的最优估计反演，研究了积累时间对反演结果的影

响。研究结果表明，使用不同的大气模型先验温度在信噪比较高底部区域影响

极小；在90km以下，反演不确定度小于10K，且低高度区域的反演结果主要

来自于真实信息而非先验信息；回波信号的积累时间对反演结果的影响较大。

关键词：中层大气，瑞利激光雷达，大气反演算法，最优估计法，平均核矩

阵

ABSTRACT

Thetemperaturechangeinthemiddleatmospherehasanimportantimpacton

humanproductionactivities,soeffectivemeasurementofatmospherictemperatureis

animportantresearchdirectioninthefieldofatmosphericremotesensingand

detection.Amongvariousdetectionmethods,Rayleighlidarmainlyreliesonthe

Rayleighscatteringeffectofgasmoleculestodetectatmospherictemperature.Itisan

activedetectiondevicewithhightemporalandspatialresolution.Atmospheric

temperatureinversionalgorithmisanimportantresearchcontentinthefieldof

Rayleighlidar.However,traditionalinversionmethodshavelimitationsinthe

effectiverangeofinversionresults.Theop