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　　摘要

　　云層常呈現(xiàn)多層分布狀態(tài)，單層云算法難以準(zhǔn)確識(shí)別多層云底高度。手持式激光測(cè)云儀機(jī)動(dòng)便捷，可獲取大氣后向散射廓線(xiàn)，依托多層云識(shí)別算法，能夠分辨不同高度云底信號(hào)。本文闡述手持式激光測(cè)云儀多云層識(shí)別技術(shù)原理，介紹識(shí)別流程，結(jié)合野外實(shí)測(cè)案例分析算法表現(xiàn)，探討識(shí)別過(guò)程中的干擾因素，為機(jī)動(dòng)氣象觀測(cè)中多層云探測(cè)應(yīng)用提供實(shí)踐參考。

　　1 引言

　　在實(shí)際大氣環(huán)境中，經(jīng)常同時(shí)存在低云、中云等多層云結(jié)構(gòu)，多層云觀測(cè)對(duì)航空氣象、天氣研判十分關(guān)鍵。傳統(tǒng)人工觀測(cè)多層云存在主觀性強(qiáng)、時(shí)間不連續(xù)的問(wèn)題。固定式激光云高儀雖具備多層云識(shí)別能力，但設(shè)備體積大，轉(zhuǎn)場(chǎng)不便。手持式激光測(cè)云儀可快速布設(shè)，適合臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)位開(kāi)展機(jī)動(dòng)探測(cè)。受設(shè)備光學(xué)口徑、激光器功率限制，多層云識(shí)別難度高于固定設(shè)備，研究其識(shí)別技術(shù)并結(jié)合實(shí)測(cè)案例評(píng)估性能，對(duì)野外機(jī)動(dòng)云觀測(cè)業(yè)務(wù)有現(xiàn)實(shí)意義。

　　2 手持式激光測(cè)云儀多云層識(shí)別技術(shù)原理

　　設(shè)備垂直發(fā)射脈沖激光，激光穿過(guò)上層云時(shí)，一部分光被云滴散射形成回波信號(hào)，剩余激光繼續(xù)向下或向上傳播，抵達(dá)下層云再次產(chǎn)生后向散射。接收系統(tǒng)采集完整的后向散射廓線(xiàn)，廓線(xiàn)曲線(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)多處信號(hào)強(qiáng)度突變峰值，每一處突變位置對(duì)應(yīng)一層云底。

　　多云層識(shí)別算法以回波廓線(xiàn)為基礎(chǔ)，分為信號(hào)預(yù)處理、峰值檢索、云特征判定、結(jié)果輸出四個(gè)步驟。預(yù)處理環(huán)節(jié)完成基線(xiàn)扣除、平滑濾波，去除日光噪聲、電路噪聲以及瞬時(shí)雜波信號(hào)。峰值檢索模塊遍歷廓線(xiàn)，提取所有超過(guò)閾值的回波突變點(diǎn)，初步篩選候選云底位置。

　　特征判定是多層云識(shí)別的核心。算法依據(jù)峰值強(qiáng)度、峰值寬度以及時(shí)序連續(xù)性，區(qū)分真實(shí)云層、氣溶膠層與噪聲偽峰。算法會(huì)設(shè)置最小云底間距約束，過(guò)濾距離過(guò)近的虛假分層;同時(shí)剔除持續(xù)時(shí)間較短的瞬時(shí)信號(hào)，排除飛鳥(niǎo)、昆蟲(chóng)帶來(lái)的干擾。最終輸出單層、雙層或者多層云底高度與云層數(shù)。設(shè)備自帶姿態(tài)校正模塊，降低手持架設(shè)晃動(dòng)帶來(lái)的廓線(xiàn)畸變。

　　3 野外實(shí)測(cè)案例分析

　　本次實(shí)測(cè)選取兩個(gè)典型天氣場(chǎng)景，采用手持式激光測(cè)云儀開(kāi)展連續(xù)觀測(cè)，同步記錄天氣實(shí)況。

　　案例一：雙層云觀測(cè)。高空存在薄卷云，低空分布碎層云。回波廓線(xiàn)出現(xiàn)兩處明顯回波峰值，算法成功識(shí)別兩層云底高度。上層云信號(hào)強(qiáng)度偏弱，但峰值特征穩(wěn)定，算法可有效捕獲;下層碎云波動(dòng)較大，通過(guò)時(shí)序連續(xù)校驗(yàn)，過(guò)濾短時(shí)起伏噪聲，輸出結(jié)果和人工觀測(cè)記錄基本吻合。實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，上層云厚度較薄時(shí)，回波信號(hào)微弱，容易出現(xiàn)偶發(fā)漏檢。

　　案例二：三層云觀測(cè)。低云、中云、高云同時(shí)存在，低層云回波較強(qiáng)，中高層云信號(hào)依次減弱。手持式設(shè)備激光在穿透下層云時(shí)能量衰減，高層云回波信噪比下降。實(shí)測(cè)時(shí)段部分時(shí)刻高層云信號(hào)低于檢出閾值，算法僅識(shí)別出兩層云。結(jié)合同步氣象記錄分析，判定為激光能量穿透損耗導(dǎo)致高層云探測(cè)失效。

　　4 影響多云層識(shí)別效果的因素

　　硬件層面，手持式設(shè)備激光器功率有限，激光穿透下層云層后能量衰減明顯，高層云回波信號(hào)弱，容易漏檢。光學(xué)窗口積灰、凝露會(huì)整體壓低回波強(qiáng)度，進(jìn)一步降低多層云識(shí)別能力。架設(shè)時(shí)設(shè)備晃動(dòng)傾斜，造成廓線(xiàn)變形，產(chǎn)生偽峰。

　　大氣環(huán)境因素。降水、霧、氣溶膠會(huì)加劇激光衰減，壓縮可探測(cè)高度。多層云間距較小的時(shí)候，相鄰回波峰值相互重疊，算法難以區(qū)分獨(dú)立云底。

　　算法層面，固定閾值模式難以適配多變的大氣廓線(xiàn)，低信噪比條件下，容易出現(xiàn)偽峰誤判或者真實(shí)云峰漏檢。

　　5 優(yōu)化措施

　　現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)優(yōu)先搭配簡(jiǎn)易支架固定設(shè)備，減少晃動(dòng)，保持光路垂直。觀測(cè)前清潔光學(xué)窗口，提升透光效率。算法上采用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值，結(jié)合多時(shí)間序列廓線(xiàn)聯(lián)合判斷，提升弱信號(hào)云層識(shí)別穩(wěn)定性。開(kāi)展多層云觀測(cè)時(shí)，同步記錄能見(jiàn)度、天氣現(xiàn)象，輔助核驗(yàn)識(shí)別結(jié)果。多層云間距較小或者高層云信號(hào)微弱時(shí)，標(biāo)記數(shù)據(jù)為可疑值，結(jié)合其他氣象資料綜合研判。

　　6 結(jié)論

　　手持式激光測(cè)云儀依靠后向散射廓線(xiàn)峰值檢索與時(shí)序校驗(yàn)算法，可以實(shí)現(xiàn)多云層識(shí)別，能夠在野外機(jī)動(dòng)場(chǎng)景獲取多層云觀測(cè)數(shù)據(jù)。但激光穿透損耗會(huì)造成高層云信號(hào)衰減，存在高層云漏檢風(fēng)險(xiǎn)。配合支架固定、優(yōu)化識(shí)別算法，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)天氣信息綜合校驗(yàn)，能夠有效提升多云層識(shí)別準(zhǔn)確率。該設(shè)備適合作為固定式云觀測(cè)系統(tǒng)的補(bǔ)充，在應(yīng)急氣象保障、野外觀測(cè)試驗(yàn)中開(kāi)展多層云機(jī)動(dòng)探測(cè)。