【摘要】：米散射激光雷達是探測大氣氣溶膠光學特性的有力工具。然而米散射激光雷達方程包含消光系數(shù)和后向散射系數(shù)兩個未知參數(shù);同時,激光雷達回波信號屬于典型的非平穩(wěn)信號,其中的噪聲較難剔除。這都是米散射激光雷達數(shù)據(jù)反演中必須解決的關鍵問題。鑒于此,針對米散射激光雷達回波信號.噪聲的統(tǒng)計特性,設計了自適應濾波器,實現(xiàn)了最優(yōu)濾波。在不需要設定消光系數(shù)和后向散射系數(shù)數(shù)學關系的條件下,利用遺傳算法優(yōu)化的BP網(wǎng)絡求解了米散射激光雷達方程,實現(xiàn)了氣溶膠消光系數(shù)的精細反演。研究內(nèi)容對米散射激光雷達回波信號精細反演具有重要的研究意義。論文采用統(tǒng)計假設檢驗方法,分析了米散射激光雷達回波信號噪聲的統(tǒng)計特性。在此基礎上,設計了自適應濾波器。該濾波器通過調(diào)整權系數(shù)使均方誤差最小化,從而實現(xiàn)最優(yōu)濾波。數(shù)值仿真和實驗數(shù)據(jù)反演都驗證了自適應濾波器的有效性。在數(shù)值仿真中,自適應濾波器的輸出信噪比大于小波變換濾波器,且均方誤差小于小波變換濾波器。在不同天氣條件下,利用自適應濾波器和小波變換濾波器濾波后的米散射回波信號反演了氣溶膠消光系數(shù)。實驗結果表明,自適應濾波器反演的消光系數(shù)紋波幅度小于小波變換濾波器,且細節(jié)更為清晰。深入研究了BP網(wǎng)絡求解米散射激光雷達方程的可行性,設計了BP網(wǎng)絡結構和主要相關參數(shù)。以米散射激光雷達回波信號.和拉曼法反演的消光系數(shù)為樣本對BP網(wǎng)絡進行了訓練,將米散射回波信號和消光系數(shù)間的數(shù)學關系存儲在BP網(wǎng)絡中。在不需要設定消光系數(shù)和后向散射系數(shù)數(shù)學關系的條件下,該BP網(wǎng)絡可實現(xiàn)消光系數(shù)的精細反演。實驗結果表明,當選取原始回波信號為輸入信號,網(wǎng)絡結構選為26-28-26,激活函數(shù)選為tansig-tansig,期望誤差選為0.01,學習速率選為0.1時,BP網(wǎng)絡反演的消光系數(shù)精度較高。當訓練樣本數(shù)目增加時,BP網(wǎng)絡的反演精度和收斂速度逐漸增加并趨于穩(wěn)定。綜合考慮反演精度和計算量,訓練樣本數(shù)目最終選為900。最后,利用改進經(jīng)驗公式法確定了隱層單元數(shù)。針對BP算法收斂速度慢、易陷入局部極小值的問題,采用遺傳算法優(yōu)化了BP網(wǎng)絡的初始權值和閾值。實驗結果表明,與傳統(tǒng)BP網(wǎng)絡相比,GA-BP網(wǎng)絡具有更高的消光系數(shù)反演精度和更快的收斂速度。最后,在不同時間和天氣條件下,分別采用GA-BP網(wǎng)絡、拉曼法及Fernald法反演了氣溶膠消光系數(shù),分析了GA-BP網(wǎng)絡反演消光系數(shù)的適用性。實驗結果表明,除有云天氣外,GA-BP網(wǎng)絡均可實現(xiàn)氣溶膠消光系數(shù)的精細反演。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN958.98

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本文編號：2682731