大气能见度测量及反演算法研究

论文摘要

能见度是指视力正常的人在当时特定的天气条件下,人眼从背景中所能识别出物体的最大水平距离。长期以来我国在可见光能见度的测量技术上日趋成熟,而基于红外成像原理大气能见度测量技术的研究鲜有报道。迫于红外光电工程应用的需求,本文在大气能见度定义的基础上,研制一套红外成像激光雷达大气能见度的测量系统。本人开展的主要工作是对该测量系统的控制部分进行了设计,并且编写了一套控制软件。本文在成像激光雷达图片处理中引入了移位相减法和小波新阈值去噪算法。与传统背景扣除法相比移位相减法有效降低了激光光柱的杂点,经过新阈值降噪处理后MIE散射激光雷达和成像激光雷达反演结果与能见度仪测量结果的相关性分别提高了6.2%和8%。实验结果表明红外成像激光雷达的测量结果与能见度仪的测量结果两者的相关性系数达80%以上。最后对沿海地区大气能见度测量结果进行了分析,并利用三种反演模型对广州茂名地区大气能见度进行了反演研究。实验表明三种模型反演的结果与测量结果具有较好的相关性,相关系数均达87%以上。统计分析表明支持向量机和非线性回归模型反演值与实测数据相比相对误差绝对值均在0.35以下,且基于支持向量机的反演结果与实测结果更吻合,即支持向量机所建模型为三种模型的最优模型。

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Abstract

第1章绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 大气能见度简介

1.2.1 对比度

1.2.2 对比度传输函数

1.3 国内外研究进展

1.3.1 能见度理论研究进展

1.3.2 能见度测量仪器研究进展

1.3.3 基于图像测量技术能见度演研究进展

1.4 论文的主要内容及工作安排

第2章实验仪器及反演算法介绍

2.1 引言

2.2 红外成像激光激光雷达系统介绍

2.2.1 激光发射部分

2.2.2 光学接收部分

2.2.3 系统噪声部分

2.2.4 数据采集软件部分

2.3 MIE散射激光雷达系统介绍

2.3.1 MIE散射激光雷达工作原理

2.3.2 MIE激光雷达反演算法

2.4 能见度仪

2.5 小结

第3章成像激光雷达测量大气能见度

3.1 引言

3.2 基本原理

3.2.1 能见度定义与红外能见度

3.2.2 红外能见度计算

3.2.3 Klett迭代积分法

3.2.4 实验时间与距离标定

3.3 实验数据获取

3.3.1 暗场处理

3.3.2 实验数据提取

3.4 实验结果与分析

3.4.1 实验结果

3.4.2 相关性分析

3.5 小结

第4章基于小波新阈值的能见度反演研究

4.1 引言

4.2 激光雷达工作噪声特点

4.3 基于小波阈值去噪

4.3.1 阈值函数

4.3.2 实验仿真

4.3.3 一维MIE激光雷达回波信号小波阈值去噪

4.3.4 二维成像激光雷达信号小波阈值去噪

4.4 实验数据处理方法

4.5 激光雷达反演大气能见度

4.5.1 新阈值法反演能见度

4.5.2 能见度反演相关性分析

4.6 小结

第5章典型地区大气能见度反演研究

5.1 引言

5.2 实验研究方法及插值算法

5.2.1 数据来源及预处理

5.2.2 三次样条插值算法

5.2.3 插值后PM2.5浓度与能见度相关性

5.3 BP神经网络能见度反演研究

5.3.1 BP神经网络原理

5.3.2 BP神经网络的学习步骤

5.3.3 BP神经网络的权值调整

5.3.4 BP神经网络反演结果分析

5.4 支持向量机能见度反演研究

5.4.1 支持向量机原理

5.4.2 支持向量机理论分析

5.4.3 支持向量机反演结果分析

5.5 非线性回归能见度反演研究

5.5.1 多元非线性回归原理

5.5.2 多元非线性回归拟合

5.5.3 多元非线性回归反演结果分析

5.6 建立相关大气能见度应用模式

5.6.1 建立各参数相互转化的间接反演模型

5.6.2 建立红外大气能见度的反演模型

5.7 小结

第6章总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 后期工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑显明

导师: 李学彬

关键词: 大气能见度,移位相减法,小波新阈值,神经网络,支持向量机

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P427.2

总页数: 78

文件大小: 5619K

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