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原文传递大气污染物垂直分布的实时反演方法、装置、计算机设备和存储介质

专利名称：	大气污染物垂直分布的实时反演方法、装置、计算机设备和存储介质
摘要：	本发明公开了一种大气污染物垂直分布的实时反演方法、装置、计算机设备和存储介质，包括：获取利用超光谱遥感技术实时采集的多仰角观测的高分辨率光谱，对高分辨率光谱拟合得到对应大气污染物多仰角观测的实测光路总浓度；使用辐射传输模型模拟地面光强，模拟光强对分层的大气污染物分布做偏微分获得模拟光强的雅克比矩阵，结合大气污染物特征吸收截面将模拟光强转换为模拟光路总浓度；利用模拟光强雅克比矩阵结合大气污染物特征吸收截面计算模拟光路总浓度的雅克比矩阵：即迭代权重函数，利用获得的迭代权重函数使用最小二乘法迭代求解大气污染物垂直分布。该方法能够降低反演计算开销，实现在线实时反演监测，同时保证反演监测的稳定性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	中国科学技术大学
发明人：	刘诚;李启华;邢成志;林华;谈伟;刘浩然
专利状态：	有效
申请日期：	2021-11-22T00:00:00+0800
发布日期：	2022-03-01T00:00:00+0800
申请号：	CN202111387950.0
公开号：	CN114112935A
代理机构：	杭州天勤知识产权代理有限公司
代理人：	曹兆霞
分类号：	G01N21/25;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/25
申请人地址：	230026 安徽省合肥市包河区金寨路96号
主权项：	1.一种大气污染物垂直分布的实时反演方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取利用超光谱遥感技术实时采集的多仰角观测的高分辨率光谱，根据高分辨率光谱拟合得到大气污染物多仰角观测的实测光路总浓度；步骤2，采用辐射传输模型模拟地面光强得到模拟光强，并结合大气污染物特征吸收截面将模拟光强转换为模拟光路总浓度；步骤3，计算模拟光强对分层的大气污染物浓度分布的偏微分以得到模拟光强的雅克比矩阵，利用模拟光强的雅克比矩阵并结合大气污染物特征吸收截面计算模拟光路总浓度的雅克比矩阵，即迭代权重函数；步骤4，以最小化带迭代权重函数的实测光路总浓度和模拟光路总浓度为目标函数，采用基于最小二乘法的最优化迭代估计方法迭代求解以得到大气污染物垂直分布。 2.根据权利要求1所述的大气污染物垂直分布的实时反演方法，其特征在于，步骤1中，在获得多仰角观测的高分辨率光谱后，从高分辨光谱中过滤掉随波长做慢变化的光谱结构，将剩余光谱与大气污染物的标准参考光谱进行最小二乘法拟合，以得到每种大气污染物每个角度观测的实测光路总浓度。 3.根据权利要求1所述的大气污染物垂直分布的实时反演方法，其特征在于，步骤2中，通过采用辐射传输模型模拟地面光强得到模拟光强包括目标污染气体存在于大气中时的模拟光强I1和目标污染气体不存在于大气中时的模拟光强I0，利用模拟光强I1和模拟光强I0，并结合大气污染物特征吸收截面σ计算模拟光路总浓度dSCDmodel，其表达式为：其中，模拟光强I的上标表示观测仰角，其中，90表示90度观测仰角，β为除90度之外的其它观测仰角，和分别表示目标污染气体不存在于大气中时以β度观测仰角和90度观测仰角观测时的模拟光强，和分别表示目标污染气体存在于大气中时以β度观测仰角和90度观测仰角观测时的模拟光强。 4.根据权利要求1所述的大气污染物垂直分布的实时反演方法，其特征在于，步骤3中，采用以下公式计算计算模拟光强对分层的大气污染物浓度分布的偏微分以得到模拟光强的雅克比矩阵J：其中，模拟光强I包括目标污染气体存在于大气中时的模拟光强I1和目标污染气体不存在于大气中时的模拟光强I0，c表示每层目标污染气体的浓度。 5.根据权利要求1所述的大气污染物垂直分布的实时反演方法，其特征在于，步骤3中，利用模拟光强的雅克比矩阵并结合大气污染物特征吸收截面计算模拟光路总浓度的雅克比矩阵，即迭代权重函数WF表示为：其中，上标表示观测仰角，其中，90表示90度观测仰角，β为除90度之外的其它观测仰角，下标表示目前污染物是否存在于大气中，其中，0表示目前污染物是不存在于大气中，1表示目前污染物是存在于大气中，和分别表示目标污染气体不存在于大气中时以β度观测仰角和90度观测仰角观测时的模拟光强，和分别表示目标污染气体存在于大气中时以β度观测仰角和90度观测仰角观测时的模拟光强，分别表示模拟光强的雅克比矩阵，σ表示大气污染物特征吸收截面。 6.根据权利要求1所述的大气污染物垂直分布的实时反演方法，其特征在于，步骤4中，利用迭代权重函数并采用基于最小二乘法的最优化迭代估计方法迭代求解时，获得的目标大气污染气体垂直浓度分布迭代解为：其中，c表示污染气体的浓度或消光系数，下标n表示迭代步数，下标a表示反演所需先验信息，Sa表示先验误差矩阵，表示迭代权重函数，表示实测dSCD误差矩阵，dSCDmeas表示实测光路总浓度，dSCDmodel表示模拟光路总浓度，γn是迭代因子，当γn大时迭代接近于梯度下降法，当γn小时迭代接近于高斯牛顿法。 7.根据权利要求6所述的大气污染物垂直分布的实时反演方法，其特征在于，步骤4中，迭代求解过程为：采用初始先验廓线和初始γ计算初始目标函数，然后采用初始目标函数使用迭代式(4)计算迭代下一步的状态矢量cnext，该状态矢量cnext为污染气体的浓度或消光系数，并计算状态矢量cnext对应的新目标函数；当新目标函数较前一步的目标函数减小，且减小值大于预设值，且没有达到最大迭代次数时，减小γ，根据状态矢量cnext采用迭代式(4)进行迭代计算，继续循环；若减小值小于等于预设值，则以状态矢量cnext为最优解并输出；当新目标函数较前一步的目标函数没减小时，若γ大于预设γ值，停止循环，此时无法找到最优解，若γ小于等于预设γ值，增大γ值后，使用新γ采用迭代式(4)重新计算cnext，继续循环。 8.一种大气污染物垂直分布的实时反演装置，其特征在于，包括：实测光路总浓度计算模块，用于获取利用超光谱遥感技术实时采集的多仰角观测的高分辨率光谱，根据高分辨率光谱拟合得到大气污染物多仰角观测的实测光路总浓度；模拟光路总浓度计算模块，用于采用辐射传输模型模拟地面光强得到模拟光强，并结合大气污染物特征吸收截面将模拟光强转换为模拟光路总浓度；迭代权重函数计算模块，用于计算模拟光强对分层的大气污染物浓度分布的偏微分以得到模拟光强的雅克比矩阵，利用模拟光强的雅克比矩阵并结合大气污染物特征吸收截面计算模拟光路总浓度的雅克比矩阵，即迭代权重函数；迭代计算模块，以最小化带迭代权重函数的实测光路总浓度和模拟光路总浓度为目标函数，采用基于最小二乘法的最优化迭代估计方法迭代求解以得到大气污染物垂直分布。 9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述的大气污染物垂直分布的实时反演方法的步骤。 10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理执行时实现权利要求1-7任一项所述的大气污染物垂直分布的实时反演方法的步骤。
所属类别：	发明专利