(12)發(fā)明專(zhuān)利46號(hào)(72)發(fā)明人王寅鈞徐洪雄霍彥峰張春生阮征黃勇所(普通合伙)16258BoundaryLayerTheirMechanismsinT審查員李晶晶一種基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方本發(fā)明公開(kāi)了一種基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)設(shè)定仰角與方位角發(fā)射6個(gè)波束，采集多方向徑并反演湍流統(tǒng)計(jì)量，結(jié)合坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)得到順風(fēng)向、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量的連21.一種基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反S100.將地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)設(shè)定為D并據(jù)此構(gòu)建徑向速度方差觀測(cè)向量,其中S400.根據(jù)各波束對(duì)應(yīng)的仰角φ和方位角θ;,分別建立各徑向速度方差與6個(gè)湍流+2u'v'sin2?sinθ,cosθ+2u'w'sinφ,cosφcS600.基于徑向速度方差觀測(cè)方程組S=M∑,采用逆矩陣法或最小二乘擬合方法反演求解湍流統(tǒng)計(jì)量向量∑,并基于平均風(fēng)向?qū)Ψ囱萁Y(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，確保速度擾動(dòng)方2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣3S202.基于激光脈沖回波信號(hào)的特征參數(shù)計(jì)算每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的信噪比CNR,篩除信噪比S203.對(duì)保留的數(shù)據(jù)應(yīng)用滑動(dòng)窗口統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行局部均值與標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，結(jié)合Z-S204.對(duì)因篩選導(dǎo)致局部缺測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值或時(shí)序重建，確保所有6個(gè)波束在5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界S301.對(duì)于每個(gè)波束方向i和每個(gè)距離對(duì)應(yīng)的高度層k,對(duì)徑向風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)S302.基于計(jì)算得到的均值ri.k求解該時(shí)間窗口T內(nèi)的徑向速度樣本方差S303.對(duì)于各波束方向及各高度層，整6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界S621.基于反演得到的風(fēng)速平均分量，計(jì)算每個(gè)高度層的水平平均風(fēng)速方向θ,=arctan(v/ū),其中ü和v分別為平均風(fēng)速的東西向和南北向分量，并據(jù)此構(gòu)建從雷S622.基于垂直速度分量與水平風(fēng)速分量的協(xié)方差項(xiàng)構(gòu)造第二旋轉(zhuǎn)矩陣，使7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界S612.計(jì)算系數(shù)矩陣M的逆矩陣M?1,之后將徑向速度方差48.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界當(dāng)系數(shù)矩陣M的條件數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，采用正則化方法求解修正后的方程組基于修正后的方程組求解湍流統(tǒng)計(jì)量∑,并通過(guò)MonteCarlo模擬方法對(duì)反演結(jié)果進(jìn)9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界S801.基于大氣湍流理論約束條件驗(yàn)證反演結(jié)果的物理合理性，包括檢驗(yàn)速負(fù)性條件u2≥0,v2≥0,w12≥0;S802.驗(yàn)證協(xié)方差滿(mǎn)足柯西-施瓦茨不等式S803.計(jì)算湍流各向異性指數(shù)A,=(u12+v2-2w2)/(u2+v2+2w'2)并驗(yàn)證其變S804.檢驗(yàn)動(dòng)量通量在不同大氣穩(wěn)定度條件下的符號(hào)及垂直變化趨勢(shì)是否符合物理10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊S901.將各高度層反演獲得的湍流統(tǒng)計(jì)量與已有其他觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)S903.基于反演算法的矩陣結(jié)構(gòu)S=M∑,對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)量反演誤差進(jìn)行定量分析，計(jì)S904.輸出各個(gè)高度層中各湍流統(tǒng)計(jì)分量的相對(duì)誤差百分比和置信區(qū)間邊界，識(shí)別噪11.一種大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1~10任一項(xiàng)所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法，其特征在5激光雷達(dá)觀測(cè)模塊，控制地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)按DBS掃描模式發(fā)射6個(gè)探測(cè)波束，包括1個(gè)垂直天頂波束和5個(gè)沿錐面均勻分布的傾斜波束；數(shù)據(jù)采集處理模塊，用于同步獲取各探測(cè)波束方向上的徑向風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)，記錄對(duì)應(yīng)的方位角和仰角參數(shù)，并對(duì)徑向風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制；統(tǒng)計(jì)量計(jì)算與矩陣構(gòu)建模塊，用于計(jì)算每個(gè)波束在各高度層的徑向速度方差，并基于波束幾何角度建立其與湍流統(tǒng)計(jì)量之間的線性方程組；反演解算與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)模塊，用于采用逆矩陣法或最小二乘擬合法求解湍流統(tǒng)計(jì)量向量，并基于平均風(fēng)向進(jìn)行坐標(biāo)變換；結(jié)果計(jì)算輸出模塊，用于基于反演得到的速度方差計(jì)算湍流動(dòng)能，并輸出各高度層的湍流統(tǒng)計(jì)量垂直廓線。12.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)指令，其特征在于，用以執(zhí)行權(quán)利要求1~10任一項(xiàng)所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法。13.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1~10任一項(xiàng)所述的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法。6一種基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及程序產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明屬于大氣遙感與邊界層探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及激光雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)與湍流參數(shù)反演技術(shù)，具體是一種基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流背景技術(shù)[0002]大氣邊界層是地表與自由大氣之間物質(zhì)與能量交換的關(guān)鍵區(qū)域，其湍流結(jié)構(gòu)與演續(xù)獲取大氣邊界層中湍流統(tǒng)計(jì)量(如速度方差、動(dòng)量通量、湍流動(dòng)能等)的垂直分布特征，對(duì)于理解邊界層動(dòng)力學(xué)、發(fā)展邊界層參數(shù)化方案以及建立高精度數(shù)值模式具有重要理論與實(shí)際意義。[0003]傳統(tǒng)大氣邊界層觀測(cè)手段主要包括探空、邊界層塔、雷達(dá)風(fēng)廓線儀、飛機(jī)平臺(tái)及衛(wèi)星遙感等，其中探空和塔架觀測(cè)可獲取風(fēng)速、溫度、濕度等基本氣象要素的垂直分布信息，但受限于時(shí)間分辨率低、空間覆蓋有限，難以滿(mǎn)足對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)量連續(xù)反演的需求。飛機(jī)觀測(cè)在大尺度氣象監(jiān)測(cè)中發(fā)揮作用，但其空間分辨率和對(duì)邊界層低空的穿透能力仍然有限。[0004]近年來(lái)，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，尤其是光量子多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，使得獲取高時(shí)空分辨率的三維風(fēng)場(chǎng)成為可能。該技術(shù)通過(guò)發(fā)射激光束并接收大氣氣溶膠對(duì)激光的散射信號(hào)，利用多普勒頻移反演風(fēng)速信息。在實(shí)際觀測(cè)中，多普勒激光雷達(dá)可采用不同的掃描模式以實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)反演和湍流參數(shù)估算，常見(jiàn)的模式包括速度方位角顯示法光束擺動(dòng)掃描(DopplerBeamSwinging,DBS)等。VAD和RHI方法可用于反演平均風(fēng)場(chǎng)和垂直速度結(jié)構(gòu)，但在湍流統(tǒng)計(jì)量反演方面精度有限。DBS方法通過(guò)設(shè)置多個(gè)固定方位和仰角的激光束，獲取多個(gè)方向上的徑向速度，從而反演速度方差、動(dòng)量通量和湍流動(dòng)能等參數(shù)。[0005]然而，傳統(tǒng)的DBS方法多采用4波束配置，其反演結(jié)果易受到波束間角度分布、風(fēng)場(chǎng)非均勻性及大氣擾動(dòng)影響，導(dǎo)致湍流統(tǒng)計(jì)量計(jì)算精度不足?，F(xiàn)有技術(shù)中，中國(guó)專(zhuān)利CN109814131B提出了一種基于非連續(xù)圓錐掃描的激光雷達(dá)湍流參數(shù)反演方法，通過(guò)暫停掃描以減小徑向風(fēng)速的測(cè)速誤差，并采用Kolmogorov模型結(jié)合速度結(jié)構(gòu)函數(shù)作差以消除噪聲項(xiàng)，但其掃描模式仍以單一固定天頂角為主，難以獲取全邊界層三維湍流結(jié)構(gòu)，其非連續(xù)掃描策略導(dǎo)致激光束在時(shí)間上存在空窗區(qū)，限制了對(duì)高頻湍流擾動(dòng)的完整捕捉能力，不利于重建全邊界層內(nèi)湍流統(tǒng)計(jì)量的連續(xù)垂直剖面。此外，部分研究嘗試將波束數(shù)提升至5或6以準(zhǔn)化指導(dǎo)。尤其在業(yè)務(wù)化觀測(cè)部署中，如何兼顧掃描效率與反演精度，尚未形成成熟解決方案。此外，已有研究多關(guān)注于平均風(fēng)速、邊界層高度等產(chǎn)品，針對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)量的高精度反演產(chǎn)品尚未系統(tǒng)建立，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和結(jié)果可靠性評(píng)估仍存在不足。7[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷和不足，本發(fā)[0011]本發(fā)明的第1個(gè)發(fā)明目的在于提供一種基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃[0013]控制地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)按多普勒光束擺動(dòng)掃描模式(DopplerBeam[0017]對(duì)所采集的各波束方向上的徑向風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)v;(t)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算每個(gè)波束對(duì)應(yīng)的徑向速度方差1,并據(jù)此構(gòu)建徑向速度方差觀測(cè)向量+2u'v'sin2φ,sinθ,cosθ?+2u’w'sinφcosφcosθ?+2v′w'sinφcosφ,sinθ8u2、v'2、w12分別為三個(gè)方向的速度方差，u'v'、u'w′、v'w′分別為三個(gè)方向速度分[0023]基于6個(gè)波束方向的徑向速度方差與湍流統(tǒng)計(jì)量之間的關(guān)系式，構(gòu)建矩陣形式的仰角φ和方位角θ;計(jì)算得到的6×6系數(shù)矩陣，∑為待求解的湍流統(tǒng)計(jì)量向量且[0025]基于徑向速度方差觀測(cè)方程組S=M·∑,采用逆矩陣法或最小二乘擬合方法反演求解湍流統(tǒng)計(jì)量向量∑,并基于平均風(fēng)向?qū)Ψ囱萁Y(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，確保速度擾動(dòng)方差[0028]本發(fā)明的第2個(gè)發(fā)明目的在于提供一種大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)[0030]數(shù)據(jù)采集處理模塊，用于同步獲取各探測(cè)波束方向上的徑向風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)，行本發(fā)明的上述基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)[0035]本發(fā)明的第4個(gè)發(fā)明目的在于提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述基于6波束地9[0038](1)本發(fā)明通過(guò)引入6波束DBS掃描模式(1個(gè)天頂波束和5個(gè)傾斜波束),能夠同步獲取大氣邊界層內(nèi)多個(gè)高度層的徑向風(fēng)速數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)量的高時(shí)空分辨率觀測(cè)，同時(shí)通過(guò)精確構(gòu)建徑向速度方差與湍流統(tǒng)計(jì)量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系并優(yōu)化矩陣方程求解，避免了傳統(tǒng)4~5波束因方程欠定導(dǎo)致的系統(tǒng)性誤差，顯著提升了速度方差、動(dòng)量通量等湍流統(tǒng)計(jì)量的反演精度。[0039](2)本發(fā)明構(gòu)建了徑向速度方差與六個(gè)湍流統(tǒng)計(jì)量之間的解析關(guān)系模型，并以矩陣形式統(tǒng)一求解，避免了逐項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)估算的不確定性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)速度方差及動(dòng)量通量的系統(tǒng)性反演。此外，本發(fā)明采用質(zhì)量控制與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)相結(jié)合策略，建立了從原始觀測(cè)到主風(fēng)向坐標(biāo)系下湍流分量的穩(wěn)定映射過(guò)程，提升了反演結(jié)果的物理可解釋性，特別適用于風(fēng)向變化劇烈的邊界層環(huán)境。[0040](3)本發(fā)明基于地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)技術(shù)，具有體積小、重量輕、易于部署等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市環(huán)境、山區(qū)地形、海洋區(qū)域等不同場(chǎng)景的大氣邊界層湍流觀測(cè)。同時(shí)，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量的連續(xù)垂直廓線觀測(cè)，為大氣擴(kuò)散模型、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和氣候模式提供關(guān)鍵參數(shù)，具有顯著的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景。附圖說(shuō)明[0041]圖1是本發(fā)明的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法流程圖；[0042]圖2是本發(fā)明的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演系統(tǒng)示意圖；[0043]圖3為合肥地區(qū)2023年北京時(shí)11-1600:00至11-2123:30時(shí)段6波束探測(cè)模式反演得到的多種湍流統(tǒng)計(jì)量時(shí)間-高度剖面圖，其中：(a)為u方向速度方差u12,(b)為v方向速度方差v12,(c)為垂直方向速度方差w12,(d)為湍流動(dòng)能e,粉紅色、青色分別為測(cè)風(fēng)激光雷[0045]激光雷達(dá)觀測(cè)模塊100,數(shù)據(jù)采集處理模塊200,統(tǒng)計(jì)量計(jì)算與矩陣構(gòu)建模塊300,反演解算與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)模塊400,結(jié)果計(jì)算輸出模塊500。具體實(shí)施方式[0046]本發(fā)明旨在提供一種基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及程序產(chǎn)品，用于獲取大氣邊界層中速度方差、動(dòng)量通量和湍流動(dòng)能等湍流統(tǒng)計(jì)量的垂直廓線，為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，且所描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。[0047]實(shí)施例1:反演方法[0048]作為一個(gè)具體的實(shí)例，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法，如圖1所示，其在實(shí)施時(shí)主要包括如下步[0050]控制地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)按多普勒光束擺動(dòng)掃描模式(DopplerBeam[0051]本發(fā)明實(shí)施例中，5個(gè)傾斜波束在與垂直波束所構(gòu)成的錐面上以天頂波束為中心各傾斜波束的仰角相同并設(shè)置在45°~75°范圍內(nèi)以保證探測(cè)高度覆蓋大氣邊界層主要范[0057]S202.基于激光脈沖回波信號(hào)的特征參數(shù)計(jì)算每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的信噪比CNR,篩除信噪比低于預(yù)設(shè)閾值(優(yōu)選為-18dB至-20dB之間)信號(hào)強(qiáng)度不足以支持可靠速度估算的數(shù)[0059]S204.對(duì)因篩選導(dǎo)致局部缺測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值或時(shí)序[0061]對(duì)所采集的各波束方向上的徑向風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)v;(t)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算每[0063]S301.對(duì)于每個(gè)波束方向i和每個(gè)距離對(duì)應(yīng)的高度層k,對(duì)徑向風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)[0064]S302.基于計(jì)算得到的均值Vr.k求解該時(shí)間窗口T內(nèi)的徑向速度樣本方差[0065]S303.對(duì)于各波束方向及各高度層，整理形成多高度多方向的徑向速度方差矩[0067]根據(jù)每個(gè)波束對(duì)應(yīng)的仰角φ和方位角θ,分別建立各波束的徑向速度方差v'2=u'2sin2φcos2θ?+v2sin2φsin2θ?++2u'v'sin2φ,sinθ,cosθ,+2u'w'sinφcosφcosθ+2v'w'sinφ性和各向同性假設(shè)(即假設(shè)在大氣邊界層內(nèi)，湍流的統(tǒng)計(jì)特征在空間上均勻分布且在各個(gè)方向上相同),將徑向速度方差表示為六個(gè)湍流統(tǒng)計(jì)量(包括三個(gè)方向的速度方差由各波束的仰角φ和方位角θ決定，反映了不同方向上的風(fēng)速分量對(duì)徑向速度方差的貢[0072]基于6個(gè)波束方向的徑向速度方差與湍流統(tǒng)計(jì)量之間的關(guān)系式，構(gòu)建矩陣形式的仰角φ;和方位角θ;計(jì)算得到的6×6系數(shù)矩陣，∑為待求解的湍流統(tǒng)計(jì)量向量且計(jì)算每個(gè)波束在三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的投影系數(shù)，并將這些投影系數(shù)按照一定的順序排列，M?5=2sinφ,cosφ?cosθ,Mi?=2sinφ,cosφsinθ。該系數(shù)矩陣反映了各波束對(duì)不同保證各波束仰角φ和方位角θ的測(cè)量精度，以避免系數(shù)矩陣M計(jì)算誤差對(duì)反演結(jié)果造成影[0076]基于徑向速度方差觀測(cè)方程組S=M·2,采用逆矩陣法或最小二乘擬合方法反演求解湍流統(tǒng)計(jì)量向量∑,并基于平均風(fēng)向?qū)Ψ囱萁Y(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，確保速度擾動(dòng)方差[0078]S621.基于反演得到的風(fēng)速平均分量，計(jì)算每個(gè)高度層的水平平均風(fēng)速方向影響；[0082]S611.判斷觀測(cè)方程組系數(shù)矩陣M是否可逆，如果M不可逆，則采用奇異值分解[0083]S612.計(jì)算系數(shù)矩陣M要構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)表示徑向速度方差觀測(cè)值與模型計(jì)算值之間的殘差平方和；然后采用優(yōu)化算法(例如梯度下降法或Levenberg-Marquardt算法)最小化目標(biāo)函數(shù)，得到[0087]當(dāng)系數(shù)矩陣M的條件數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，采用正則化方法求解修正后的方程組[0089]基于修正后的方程組求解湍流統(tǒng)計(jì)量∑,并通過(guò)MonteCarlo模擬方法對(duì)反演結(jié)性條件u12≥0,v2≥0,w2≥0;驗(yàn)證協(xié)方差滿(mǎn)足柯西-施瓦茨不等式|u'v'|≤√u2√v12,u′w'≤√u12√w2,|vw'≤√v2√w24=(u2+v2-2w2)/(u'2+v2+2w'2)并驗(yàn)證其變化范圍是否符合大氣邊界層湍流特性；檢驗(yàn)動(dòng)量通量在不同大氣穩(wěn)定度條件下的符號(hào)及垂直變化趨勢(shì)是否符合物理規(guī)律，對(duì)不符合約束條件的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記或修正。[0094]S900.對(duì)反演得到的湍流統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行誤差評(píng)估，包括：[0095]S901.多源對(duì)比誤差評(píng)估：將各高度層反演獲得的湍流統(tǒng)計(jì)量與已有的其他觀測(cè)數(shù)據(jù)(例如探空系統(tǒng)所提供的溫度與風(fēng)場(chǎng)剖面、邊界層塔桅超聲風(fēng)速儀測(cè)得的湍流動(dòng)能和動(dòng)量通量、以及機(jī)載平臺(tái)獲得的高分辨率風(fēng)速擾動(dòng)量等)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算反演結(jié)果的偏差、均方根誤差和/或相關(guān)系數(shù)，評(píng)估反演結(jié)果在實(shí)際大氣背景下的物理一致性和觀測(cè)可信[0096]S902.誤差來(lái)源識(shí)別：識(shí)別反演誤差的主要來(lái)源，包括激光雷達(dá)系統(tǒng)精度限制、回波信號(hào)信噪比波動(dòng)、觀測(cè)時(shí)間窗不足、邊界層湍流非穩(wěn)態(tài)性引起的統(tǒng)計(jì)偏差和/或波束角度投影誤差，并在識(shí)別過(guò)程中對(duì)不同高度層和不同波束方向分別標(biāo)注潛在誤差主導(dǎo)因子，為后續(xù)傳播建模與加權(quán)處理提供依據(jù)；[0097]S903.傳播誤差建模與定量估算：基于反演算法的矩陣結(jié)構(gòu)S=M∑對(duì)湍流統(tǒng)計(jì)量反演誤差進(jìn)行定量分析，計(jì)算湍流統(tǒng)計(jì)量協(xié)方差矩陣,獲取各反演分量的估算誤差方差與協(xié)方差以及湍流統(tǒng)計(jì)量間的互相關(guān)不確定性，Cs為徑向速度方差觀測(cè)的不確定性協(xié)方差矩陣；[0098]S904.評(píng)估量輸出與分層診斷：輸出各個(gè)高度層中各湍流統(tǒng)計(jì)分量的相對(duì)誤差百分比和置信區(qū)間邊界，識(shí)別噪聲主導(dǎo)區(qū)域與高置信度區(qū)段，并可視化反演結(jié)果與誤差包絡(luò)線用于后續(xù)質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)發(fā)布參考。[0099]綜上，實(shí)施例1詳細(xì)闡述了本發(fā)明基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法的完整技術(shù)流程，從觀測(cè)配置、數(shù)據(jù)處理到參數(shù)反演與誤差評(píng)估，最終獲得高時(shí)空分辨率的湍流統(tǒng)計(jì)量垂直廓線，體現(xiàn)了本發(fā)明在精度、穩(wěn)定性與實(shí)用性方面的綜合優(yōu)勢(shì)。[0100]實(shí)施例2:反演系統(tǒng)[0101]在實(shí)施例1提出基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例2進(jìn)一步提供了可實(shí)際部署和運(yùn)行的反演系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)合地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的六波束DBS掃描觀測(cè)能力與多模塊協(xié)同計(jì)算架構(gòu)，能夠高效完成湍流統(tǒng)計(jì)量的提取與輸出，具體如圖2所示。該系統(tǒng)通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)，將復(fù)各模塊之間采用標(biāo)準(zhǔn)化的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)主要包括如下模塊：[0102]激光雷達(dá)觀測(cè)模塊100,用于控制地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)按DBS掃描模式發(fā)射6個(gè)探測(cè)波束，包括1個(gè)垂直天頂波束和5個(gè)沿錐面均勻分布的傾斜波束。在硬件實(shí)現(xiàn)上，該模塊包含激光發(fā)射子模塊、光束控制子模塊和時(shí)序同步子模塊。激光發(fā)射子模塊采用1.5μm波段的光量子探測(cè)技術(shù)，通過(guò)光纖放大器產(chǎn)生滿(mǎn)足大氣探測(cè)需求的激光脈沖；光束控制子模塊通過(guò)高精度振鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)六個(gè)波束的快速切換，其中傾斜波束的仰角可動(dòng)態(tài)設(shè)置在45°-發(fā)射與接收嚴(yán)格遵循預(yù)設(shè)的時(shí)間序列，同時(shí)與后續(xù)數(shù)據(jù)處理模塊保持時(shí)間基準(zhǔn)同步。該模塊通過(guò)預(yù)設(shè)的掃描程序和激光雷達(dá)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)6個(gè)波束在固定時(shí)間間隔內(nèi)依次發(fā)射，并可根據(jù)不同氣象條件或應(yīng)用需求調(diào)整掃描周期、波束仰角等參數(shù)，以滿(mǎn)足大氣邊界層中多尺度湍流擾動(dòng)的觀測(cè)需求，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理與參數(shù)反演提供穩(wěn)定、連續(xù)、覆蓋良好的原始風(fēng)場(chǎng)信息。[0103]數(shù)據(jù)采集處理模塊200,用于同步獲取各探測(cè)波束方向上的徑向風(fēng)速時(shí)間序列數(shù)據(jù)，記錄對(duì)應(yīng)的方位角和仰角參數(shù)，并對(duì)徑向風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。在硬件實(shí)現(xiàn)上，該模塊包含多通道數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)處理子模塊和質(zhì)量控制子模塊。數(shù)據(jù)采集卡以不低于1MHz的采樣率同步記錄六個(gè)波束方向的回波信號(hào)。信號(hào)處理子模塊通過(guò)快速傅里葉變換FFT提取各距離門(mén)(15-30m分辨率)的徑向風(fēng)速值，并計(jì)算載噪比CNR等質(zhì)量指標(biāo)。質(zhì)量控制子模塊首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)處理，包括異常碼識(shí)別、時(shí)間對(duì)齊校驗(yàn)和距離門(mén)通道篩選；隨后基于激光回波信號(hào)計(jì)算信噪比CNR,剔除低于預(yù)設(shè)閾值(-18dB至-20dB的不可靠樣本點(diǎn)；進(jìn)一步采用滑動(dòng)窗口方法與Z-score法識(shí)別局部風(fēng)速突變點(diǎn)與偏離異常值，確保僅保留滿(mǎn)足穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)特征的數(shù)據(jù)點(diǎn)。此外，為解決因質(zhì)量控制帶來(lái)的數(shù)據(jù)間斷問(wèn)題，該模塊還支持對(duì)時(shí)間序列的線性插值或時(shí)序重構(gòu)，確保所有波束的采樣時(shí)間基準(zhǔn)一致。[0104]統(tǒng)計(jì)量計(jì)算與矩陣構(gòu)建模塊300,用于計(jì)算每個(gè)波束在各高度層的徑向速度方差，并基于波束幾何角度建立其與湍流統(tǒng)計(jì)量之間的線性方程組。本模塊對(duì)應(yīng)實(shí)施例1中S300-S500步驟的計(jì)算過(guò)程，由三個(gè)子模塊協(xié)同工作：[0105]方差計(jì)算子模塊，對(duì)各波束、各高度層的風(fēng)速時(shí)間序列(30-60s窗口)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算徑向速度方差；矩陣構(gòu)建子模塊，基于預(yù)設(shè)的波束幾何參數(shù)(φ;,θ),按照實(shí)施例1中給出的三角函數(shù)關(guān)系式自動(dòng)生成6×6系數(shù)矩陣M;方程組組裝子模塊，將觀測(cè)向量S與系數(shù)矩陣M組合成完整的線性方程組[0106]S=M·∑。為提高計(jì)算效率，該模塊采用并行計(jì)算架構(gòu)，同時(shí)處理多個(gè)高度層的數(shù)據(jù)，并通過(guò)內(nèi)存映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的快速存取。模塊內(nèi)部還設(shè)有緩存機(jī)制，當(dāng)部分波束數(shù)據(jù)缺失時(shí)，可基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行智能填補(bǔ)，確保方程組求解的連續(xù)性。此外，該模塊同時(shí)具備對(duì)缺測(cè)高度層進(jìn)行插值補(bǔ)全功能，以保證垂直剖面的連續(xù)性，并支持批量構(gòu)建多時(shí)次方程組結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)窗口下的大量數(shù)據(jù)自動(dòng)預(yù)處理。[0107]反演解算與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)模塊400,用于采用逆矩陣法或最小二乘擬合法求解湍流統(tǒng)計(jì)量向量，并基于平均風(fēng)向進(jìn)行坐標(biāo)變換。該模塊是系統(tǒng)的核心計(jì)算單元，其中的解算子模塊提供兩種算法選擇：對(duì)于良態(tài)方程組直接采用LU分解法求逆；對(duì)于病態(tài)情況(條件數(shù)>100)則啟用Tikhonov正則化算法，通過(guò)L曲線法自動(dòng)確定最優(yōu)正則化參數(shù)。坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)子模塊采用四元數(shù)法實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)系變換：首先基于平均水平風(fēng)計(jì)算第一旋轉(zhuǎn)角，消除風(fēng)向影響；然后根據(jù)垂直通量計(jì)算第二旋轉(zhuǎn)角，使坐標(biāo)系與平均風(fēng)場(chǎng)主軸對(duì)齊。該模塊還包含結(jié)果驗(yàn)證子模塊，檢查反演得到的湍流統(tǒng)計(jì)量是否滿(mǎn)足u12≥0,v2≥0,w2≥0等物理約束條件，對(duì)異常結(jié)果自動(dòng)觸發(fā)重計(jì)算流程。[0108]結(jié)果計(jì)算輸出模塊500,基于反演得到的速度方差計(jì)算湍流動(dòng)能，并輸出各高度層的湍流統(tǒng)計(jì)量垂直廓線。湍流動(dòng)能計(jì)算子模塊負(fù)責(zé)計(jì)算各高度層湍流動(dòng)能值；邊界層高度檢測(cè)子模塊通過(guò)垂直速度方差閾值法(w'2<0.3m2/s2)自動(dòng)識(shí)別邊界層頂位置；數(shù)據(jù)輸出子模塊生成包括速度方差、動(dòng)量通量、湍流動(dòng)能和邊界層高度在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，支持致性和時(shí)間連續(xù)性檢驗(yàn)，標(biāo)記可疑數(shù)據(jù)點(diǎn)，并生成包含誤差估計(jì)的元數(shù)據(jù)信息。[0109]通過(guò)上述各模塊的協(xié)同運(yùn)行，系統(tǒng)可完整、高效地實(shí)現(xiàn)實(shí)施例1中所述反演方法的全部關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具備良好的適配性、可擴(kuò)展性和工程部署能力。[0110]實(shí)施例3:實(shí)例驗(yàn)證[0111]為驗(yàn)證本發(fā)明所提出的基于6波束地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)DBS掃描模式的大氣邊界層湍流統(tǒng)計(jì)量反演方法的實(shí)用性和可靠性，以安徽合肥地區(qū)為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地于2023年11月16日00:00至11月21日23:30(北京時(shí)間)連續(xù)開(kāi)展六天的雷達(dá)實(shí)測(cè)觀測(cè)試驗(yàn)，觀測(cè)設(shè)備采用具備6波束DBS掃描能力的地基光量子測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，波束配置與實(shí)施例1中所述一致，數(shù)據(jù)據(jù)采集后，依照實(shí)施例1的技術(shù)流程完成徑向風(fēng)速質(zhì)量控制、速度方差計(jì)算、湍流統(tǒng)計(jì)量矩陣反演、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)及湍流動(dòng)能求解等步驟。[0112]圖3展示了上述觀測(cè)時(shí)段內(nèi)本發(fā)明方法反演得到的典型湍流統(tǒng)計(jì)量的時(shí)間-高度剖面分布，圖中(a)-(d)分別表示東西向速度方差u'2、南差w'2和湍流動(dòng)能e的時(shí)間-高度分布特征，粉紅色和青色曲線分別代表基于測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)和ERA5再分析資料確定的邊界層高度Z-z;。從圖中可以看出，四項(xiàng)湍流統(tǒng)計(jì)量在不同日變化周期中表現(xiàn)出良好的時(shí)空結(jié)構(gòu)特征，與邊界層高度變化呈現(xiàn)高度耦合的相關(guān)性。特別是在白天對(duì)流發(fā)展階段，w12以及巨均在500~1500m高度范圍內(nèi)顯著增強(qiáng)，能夠清晰刻畫(huà)典型對(duì)流邊界層內(nèi)部的強(qiáng)湍流活動(dòng)。夜間穩(wěn)定層出現(xiàn)時(shí)，三分量速度方差迅速減弱，并呈現(xiàn)出貼地集中分布的特征，反映出本方法對(duì)于捕捉邊界層湍流抑制過(guò)程的敏感性。此外，圖中Z-z;與ERA5-z的日變化趨勢(shì)總體一致，尤其在強(qiáng)對(duì)流日(如11月16日、18日、21日),兩者峰值高度接近，驗(yàn)證了本發(fā)明在邊界層高度識(shí)別方面的有效性。值得注意的是，在弱風(fēng)靜穩(wěn)條件下(如11月19日夜間),ERA5-z;存在明顯滯后現(xiàn)象，而Z-z;仍可識(shí)別出局地湍流增強(qiáng)過(guò)程，說(shuō)明