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DE102008003037B3 - Method for determining physical characteristics of atmospheric particles, involves preparing vertical profile of optical characteristic of particles and determining vertical profile of physical characteristic of particle by inversion method - Google Patents

Method for determining physical characteristics of atmospheric particles, involves preparing vertical profile of optical characteristic of particles and determining vertical profile of physical characteristic of particle by inversion method Download PDF

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DE102008003037B3
DE102008003037B3 DE102008003037A DE102008003037A DE102008003037B3 DE 102008003037 B3 DE102008003037 B3 DE 102008003037B3 DE 102008003037 A DE102008003037 A DE 102008003037A DE 102008003037 A DE102008003037 A DE 102008003037A DE 102008003037 B3 DE102008003037 B3 DE 102008003037B3
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Detlef Dr. Müller
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REMOTE SENSING CONSULTANTS LTD., GB
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Abstract

The method involves preparing a vertical profile of an optical characteristic of a particles and determining a vertical profile of a physical characteristic of the particles by an inversion method from the vertical profile of the optical characteristic. The vertical profile of the physical characteristic is determined by a discrepancy parameter profile. Independent claims are included for the following: (1) a device for determining physical characteristics of atmospheric particles; (2) a computer-readable storage medium for storing a program for determining physical characteristics of atmospheric particles; and (3) a computer program element for determining physical characteristics of atmospheric particles.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein computerlesbares Speichermedium und ein Computerprogramm-Element zum Ermitteln von Vertikalprofilen von physikalischen (bzw. mikrophysikalischen) Eigenschaften atmosphärischer Partikel.The The invention relates to a method, a device, a computer-readable Storage medium and a computer program element for determining Vertical profiles of physical (or microphysical) properties atmospheric Particle.

Lidar (light detection and ranging), auch als Lichtradar bezeichnet, ist eine dem Radar (radio detection and ranging) verwandte Methode zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung von Objekten. Dabei werden elektromagnetische Signale ausgesendet und die Signallaufzeit und/oder die Intensität der von den Objekten reflektierten bzw. gestreuten Strahlung erfasst. Anstelle von Funkwellen wie beim Radar wird beim Lidar Laserstrahlung verwendet. Lidar-Verfahren werden unter anderem auch in der Atmosphärenforschung eingesetzt zur Fernmessung atmosphärischer Parameter. Mit Hilfe von Lidar-Instrumenten lassen sich zum Beispiel optische Eigenschaften von atmosphärischen Partikeln untersuchen. Atmosphärische Partikel (auch als Aerosole bezeichnet) sind z. B. Waldbrandpartikel, Wüstenstaub und durch menschliche Aktivitäten verursachte Verschmutzung aus z. B. Industrie und Verkehr.lidar (light detection and ranging), also referred to as light radar, is a method related to radar (radio detection and ranging) Distance and speed measurement of objects. It will be emitted electromagnetic signals and the signal delay and / or the intensity detects the reflected or scattered by the objects radiation. Instead of radio waves as in the case of radar, laser radiation is produced at the lidar used. Lidar methods are also used in atmospheric research used for remote measurement of atmospheric parameters. With help Lidar instruments can be used, for example, for optical properties from atmospheric Examine particles. atmospheric Particles (also called aerosols) are z. Forest fire particles, desert dust and by human activities caused pollution from z. Industry and transport.

1 zeigt den schematischen Aufbau einer Lidar-Messanordnung 100. Die Lidar-Messanordnung 100 ist als ein sogenanntes Mehrwellenlängen-Raman-Lidar eingerichtet. Es werden Lichtpulse 101 bei einer oder mehreren Wellenlängen von einem oder mehreren Lasern 102 in die Atmosphäre ausgesendet. Derzeit werden in der Lidarforschung hauptsächlich Nd:YAG-Laser (Neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) verwendet. 1 shows the schematic structure of a lidar measuring arrangement 100 , The Lidar measuring arrangement 100 is set up as a so-called multi-wavelength Raman lidar. There are light pulses 101 at one or more wavelengths of one or more lasers 102 sent out into the atmosphere. At present, Nd: YAG lasers (neodymium-doped yttrium aluminum garnet lasers) are mainly used in lidar research.

Derartige Laser emittieren bei der fundamentalen Wellenlänge von 1064 nm Laserstrahlung in Form von kurzen Strahlungspulsen, welche mehrere Male pro Sekunde emittiert werden. Durch sogenannte Frequenzvervielfacherkristalle kann Laserstrahlung mit der doppelten Frequenz, also der halben Wellenlänge (532 nm), und mit der dreifachen Frequenz, also der gedrittelten Wellenlänge (355 nm), erzeugt werden. Prinzipiell können auch höhere Frequenzvielfache erzeugt werden. Allerdings werden beispielsweise Kristalle zur Erzeugung der vierfachen Frequenz, also bei 266 nm Wellenlänge, derzeit aus atmosphärenphysikalischen Gründen nicht verwendet.such Lasers emit laser radiation at the fundamental wavelength of 1064 nm in the form of short bursts of radiation, several times per second be emitted. By so-called frequency multiplier crystals can laser radiation with twice the frequency, ie half Wavelength (532 nm), and with three times the frequency, that is, the third-order wavelength (355 nm). In principle, higher frequency multiples can be generated become. However, for example, crystals are used to produce the fourfold frequency, so at 266 nm wavelength, currently not atmospheric physical reasons used.

Die Lichtpulse 101 werden mittels einer Anordnung 103 optischer Elemente (z. B. Spiegel, Linsen, Strahlaufweiter und/oder andere Elemente) in die Atmosphäre emittiert. Die in der Atmosphäre vorhandenen Partikel und Moleküle streuen die ausgesandte Laserstrahlung, bzw. teilweise wird diese Strahlung auch absorbiert. Der unter einem Winkel von 180° gestreute Anteil der Strahlung (Bezugszeichen 104) wird mittels einer zweiten Anordnung optischer Elemente (Teleskop 105, Spiegel, Strahlteiler 106 und Interferenzfilter) gesammelt und nachfolgend einer Signalerfassungseinheit 107 zugeführt. Dort werden die optischen Signale in elektrische Signale gewandelt und können nachfolgend beispielsweise auf einem Computerspeichermedium (z. B. Arbeitsspeicher des Computers, Diskette, CD/DVD-ROM, Festplatte, Memory-Stick, oder einem beliebigen anderen Speichermedium) abgespeichert werden.The light pulses 101 be by means of an arrangement 103 optical elements (eg, mirrors, lenses, beam expander, and / or other elements) are emitted into the atmosphere. The particles and molecules present in the atmosphere scatter the emitted laser radiation, or in some cases this radiation is also absorbed. The scattered at an angle of 180 ° portion of the radiation (reference numeral 104 ) is by means of a second arrangement of optical elements (telescope 105 , Mirror, beam splitter 106 and interference filters) and subsequently a signal acquisition unit 107 fed. There, the optical signals are converted into electrical signals and can subsequently be stored, for example, on a computer storage medium (eg, computer RAM, floppy disk, CD / DVD-ROM, hard disk, memory stick, or any other storage medium).

Aus den in der oben beschriebenen Weise gewonnenen Rohsignalen werden in einem ersten Schritt der Datenanalyse Vertikalprofile von optischen Partikeleigenschaften bestimmt. Diese Größen können bei einer oder mehreren Messwellenlängen bestimmt werden. Die Lidargeräte, welche in der Aerosolforschung im Rahmen der mikrophysikalischen Partikelcharakterisierung eingesetzt werden, sind in der Regel sogenannte Mehrwellenlängen-Raman-Lidarinstrumente, wie die in 1 gezeigte Anordnung 100. Derartige Geräte ermöglichen es, aus den gemessenen optischen Eigenschaften sinnvolle Ergebnisse für die mikrophysikalischen Partikeleigenschaften zu erhalten.From the raw signals obtained in the manner described above, vertical profiles of optical particle properties are determined in a first step of the data analysis. These quantities can be determined at one or more measurement wavelengths. The Lidargeräte, which are used in aerosol research in the context of micro-physical particle characterization, are usually so-called multi-wavelength Raman lidar instruments, such as in 1 shown arrangement 100 , Such devices make it possible to obtain meaningful results for the microphysical particle properties from the measured optical properties.

Mit diesen Geräten können Rückstreu- und Extinktionskoeffizienten bei mehreren Wellenlängen bestimmt werden. Der Partikelrückstreukoeffizient beschreibt das Streuverhalten der Partikel bei genau 180 Grad. Der Partikelextinktionskoeffizient beschreibt die Lichtextinktion (= Summe aus Lichtstreu- und Lichtabsorptionsvermögen). In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass im folgenden immer von ”Licht” gesprochen wird. Hierunter wird im folgenden elektromagnetische Strahlung im sichtbaren bzw. nicht sichtbaren Wellenlängenbereich verstanden.With these devices can backscatter and extinction coefficients at several wavelengths become. The particle backscatter coefficient describes the scattering behavior of the particles at exactly 180 degrees. Of the Particle extinction coefficient describes the light extinction (= Sum of light scattering and light absorption capacity). In this context It should be noted that the following always speaks of "light". this includes is in the following electromagnetic radiation in the visible or invisible wavelength range Understood.

2 zeigt beispielhaft die Ergebnisse einer typischen Messung von optischen Partikeleigenschaften bei mehreren Wellenlängen. In dem Diagramm 201 sind die Rückstreukoeffizienten bei den Messwellenlängen 355 nm (Kurve 201a), 532 nm (Kurve 201b) und 1064 nm (Kurve 201c) gezeigt. Der Rückstreukoeffizient kann in einer ersten einfachen Näherung als ein Maß für die Anwesenheit und die Konzentration (Anzahl, Oberfläche oder Volumen) der Partikel angesehen werden. Der Rückstreukoeffizient 201 zeigt in diesem Beispiel besonders deutlich die Variabilität der Partikelkonzentration in den einzelnen Höhenstufen. Der Partikelrückstreukoeffizient bei den einzelnen Messwellenlängen zeigt eine ähnliche Strukturierung der Höhenverteilung der Partikel. Die Unterschiede in den Absolutwerten bei den einzelnen Wellenlängen auf gleichen Höhenstufen zeigt die sogenannte Wellenlängenabhängigkeit der optischen Partikeleigenschaften. 2 shows by way of example the results of a typical measurement of optical particle properties at several wavelengths. In the diagram 201 are the backscatter coefficients at the measurement wavelengths 355 nm (curve 201 ), 532 nm (curve 201b ) and 1064 nm (curve 201c ). The backscatter coefficient may, in a first simple approximation, be considered as a measure of the presence and concentration (number, surface or volume) of the particles. The backscatter coefficient 201 shows in this example special This clearly shows the variability of the particle concentration in the individual altitude levels. The particle backscatter coefficient at the individual measuring wavelengths shows a similar structuring of the height distribution of the particles. The differences in the absolute values at the individual wavelengths at the same height levels shows the so-called wavelength dependence of the optical particle properties.

In dem Diagramm 202 sind die Partikelextinktionskoeffizienten bei den Messwellenlängen 355 nm (Kurve 202a) und 532 nm (Kurve 202b) gezeigt, welche mit den verwendeten Raman-Lidargeräten, aber auch prinzipiell mit sogenannten High-Spectral-Resolution-Lidar Geräten bestimmt werden können. Auch hier findet sich eine Wellenlängenabhängigkeit des Extinktionskoeffizienten.In the diagram 202 are the particle extinction coefficients at the measurement wavelengths 355 nm (curve 202a ) and 532 nm (curve 202b ), which can be determined with the Raman Lidargeräten used, but also in principle with so-called high-spectral resolution lidar devices. Again, there is a wavelength dependence of the extinction coefficient.

Es bestehen Unterschiede bezüglich der Wellenlängenabhängigkeit von Rückstreu- und Extinktionsspektren. Man spricht in diesem Zusammenhang vom rückstreu- bzw. extinktionsbezogenen Ångströmexponenten. Die Ångströmexponenten sind in dem Diagramm 204 dargestellt. Mit α-A ist der partikelextinktionsbezogene Ångströmexponent für die Messwellenlängen 355 nm und 532 nm bezeichnet (Kurve 204a). Mit β-A ist der partikelrückstreubezogene Ångströmexponent für die Messwellenlängen 355 nm und 532 nm (Kurve 204b) bzw. 532 nm und 1064 nm (Kurve 204c) bezeichnet. Positive Werte im Diagramm 204 zeigen hierbei an, dass der jeweilige Koeffizient mit steigender Wellenlänge abnimmt, negative entsprechend, dass der Koeffizient mit steigender Wellenlänge zunimmt. Die Unterschiede in der Wellenlängenabhängigkeit sind eine wichtige Information im nachfolgend beschriebenen Inversionsverfahren, mit dem sich aus den optischen Eigenschaften die (mikro)physikalischen Eigenschaften ableiten lassen.There are differences in the wavelength dependence of backscatter and extinction spectra. In this context, one speaks of the backscattering or extinction-related current exponent. The Ångströmexponenten are in the diagram 204 shown. With α-A, the particle extinction-related Ångströmexponent for the measuring wavelengths 355 nm and 532 nm is designated (curve 204a ). With β-A, the particle backscattering Ångströmexponent for the measuring wavelengths 355 nm and 532 nm (curve 204b ) or 532 nm and 1064 nm (curve 204c ) designated. Positive values in the diagram 204 indicate here that the respective coefficient decreases with increasing wavelength, negative correspondingly that the coefficient increases with increasing wavelength. The differences in the wavelength dependence are important information in the inversion process described below, with which the (micro) physical properties can be derived from the optical properties.

Aus der Wellenlängenabhängigkeit der Ångströmexponenten folgt auch eine Wellenlängenabhängigkeit der Quotienten aus Rückstreu- und Extinktionkoeffizienten. Diese Quotienten aus Partikelextinktions- und Partikelrückstreukoeffizienten, welche im vorliegenden Beispiel bei den zwei Wellenlängen von 355 nm und 532 nm errechnet werden, werden als Extinktions-zu-Rückstreuverhältnis oder auch als Lidarverhältnis bezeichnet und sind in dem Diagramm 203 dargestellt. Die Kurve 203a zeigt das Lidarverhältnis bei 355 nm, und die Kurve 203b zeigt das Lidarverhältnis bei 532 nm. Auch diese Information wird verwendet, um zu sinnvollen Ergebnissen mittels des Inversionsverfahrens zu gelangen.From the wavelength dependence of the Ångströmexponenten also follows a wavelength dependence of the quotients of backscatter and extinction coefficients. These quotients of particle extinction and particle backscatter coefficients, which in the present example are calculated at the two wavelengths of 355 nm and 532 nm, are referred to as extinction to backscatter ratio or lidar ratio and are shown in the diagram 203 shown. The curve 203a shows the lidar ratio at 355 nm, and the curve 203b shows the lidar ratio at 532 nm. Also, this information is used to arrive at meaningful results by means of the inversion method.

Bei einem herkömmlichen, auch als klassische Anwendung bezeichneten, Inversionsverfahren werden einzelne Höhenintervalle für die Dateninversion herangezogen. Innerhalb dieser Höhenintervalle werden die optischen Daten zuerst gemittelt, bevor sie in der Dateninversion verwendet werden. Dadurch werden die statistischen Schwankungen der optischen Daten in aufeinanderfolgenden Schichten gemittelt. Durch die Mittelung sollen inakzeptabel hohe, physikalisch unsinnige Variationen in den erhaltenen mikrophysikalischen Partikeleigenschaf ten vermieden werden. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der Stabilisierung des Lösungsraums in den einzelnen Höhenschichten. Eine genauere Erläuterung des Begriffs ”Stabilisierung” wird in einem nachfolgenden Abschnitt dieser Anmeldung gegeben.at a conventional, also referred to as classical application, inversion method become individual height intervals for the Data inversion used. Within these height intervals, the optical Data averaged first before using in data inversion become. As a result, the statistical fluctuations of the optical Averaged data in successive layers. By the averaging should be unacceptably high, physically nonsensical variations in avoided the obtained mikrophysikalisches Teilcheneigenschaf th become. One speaks in this context of the stabilization of the solution space in the individual height layers. A more detailed explanation the term "stabilization" is used in a subsequent section of this application.

Es ist zu beachten, dass mit Lidargeräten Höhenbereiche abgetastet werden. Je nach Gerätetyp, Messanordnung und wissenschaftlicher Zielstellung kann die vertikale Auflösung zwischen wenigen Metern und vielen Dutzend Metern liegen. Die Anwendbarkeit des in dieser Anmeldung beschriebenen Inversionsverfahrens ist grundsätzlich nicht auf eine bestimmte Wahl der Höhenauflösung beschränkt. Die Mittelung von optischen Datenpunkten über Höhenintervalle führt allerdings zu einer verringerten Höhenauflösung der gesuchten mikrophysikalischen Parameter.It Please note that height ranges are scanned with lidar devices. Depending on the device type, Measuring arrangement and scientific objective can be the vertical resolution between a few meters and many dozen meters. The applicability of the inversion process described in this application is not in principle limited to a specific choice of height resolution. The Averaging of optical data points over height intervals, however, leads to a reduced height resolution of sought-after microphysical parameters.

Aus den optischen Datensätzen können mittels des Inversionsverfahrens physikalische Partikeleigenschaften (z. B. Partikelgrößenverteilung und zusätzlich komplexer Brechungsindex) abgeleitet werden. Dazu werden die bei den verschiedenen Messwellenlängen direkt gemessenen Größen der Partikelrückstreukoeffizienten und Partikelextinktionskoeffizienten in den Inversionsalgorithmus eingegeben. Verschiedene derzeit auf dem Gebiet der Lidarforschung für die Datenauswertung verwendete Inversionsalgorithmen (entsprechend der mathematischen Definition von ”Inversion”) sind beispielsweise in [1], [2], [3], [4] und [5] beschrieben. Die in [1], [2] beschriebenen Verfahren und die in [3], [4] beschriebenen Verfahren sind in ihrer Ausführung als prinzipiell gleichwertig einzustufen.Out the optical data sets can By means of the inversion process physical particle properties (eg particle size distribution and additionally complex refractive index) are derived. These are the at the different measuring wavelengths directly measured quantities of Particle backscatter coefficient and particle extinction coefficients in the inversion algorithm entered. Various currently in the field of lidar research for the Data evaluation used inversion algorithms (corresponding to the mathematical definition of "inversion") for example, in [1], [2], [3], [4] and [5] described. In the [1], [2] and those described in [3], [4] Procedures are in their execution to be classified as equivalent in principle.

Eine Voraussetzung, um zu sinnvollen Inversionsergebnissen zu gelangen, ist im allgemeinen, dass die optischen Partikeleigenschaften bei mindestens drei Wellenlängen im Spektralbereich von 355 nm bis 1064 nm vermessen werden, siehe dazu z. B. [2], [3]. Dieser Wellenlängenbereich ergibt sich zum Teil aus den Eigenschaften der derzeit verwendeten Laserquellen, ist aber vom theoretischen Gesichtspunkt her ohne Einschränkung auf Spektralbereiche unterhalb von 355 nm und oberhalb von 1064 nm erweiterbar.A Prerequisite to get meaningful inversion results is generally that the optical particle properties at at least three wavelengths in the spectral range from 355 nm to 1064 nm, see to z. B. [2], [3]. This wavelength range results for Part of the properties of currently used laser sources, but is without limitation from the theoretical point of view Spectral ranges below 355 nm and extendable above 1064 nm.

Zu einem weiteren Teil ergibt sich der oben genannte Messwellenlängenbereich aus der Tatsache, dass vor allem Eigenschaften von Partikeln im sogenannten optisch aktiven Spektralbereich ermittelt werden sollen. Unter dem optisch aktiven Spektralbereich wird der Wellenlängenbereich des sichtbaren Sonnenlichts verstanden. In diesem Bereich ist die Klimawirksamkeit von Partikeln besonders groß. Aufgrund dieses Wellenlängenbereichs sind insbesondere solche Partikel eingehend zu untersuchen, deren Partikelradius in einem Größenbereich von ca. 50 nm bis 500 nm liegt.To a further part results in the above-mentioned measuring wavelength range from the fact that especially properties of particles in the so-called optically active spectral range to be determined. Below the optically active spectral range is the wavelength range of visible sunlight. In this area is the Climate impact of particles particularly large. Because of this wavelength range In particular, such particles are to be examined in detail, the Particle radius in a size range from about 50 nm to 500 nm.

Wie bereits erwähnt, wird mit Mehrwellenlängen-Raman-Lidargeräten sowohl der Partikelrückstreukoeffizient als auch der Partikelextinktionskoeffizient bestimmt. Bude optischen Partikeleigenschaften werden verwendet, um eine Stabilisierung des nachfolgend beschriebenen Inversionsverfahrens zu erreichen.As already mentioned, comes with multi-wavelength Raman lidar both the particle backscatter coefficient and the particle extinction coefficient. Shed optical Particle properties are used to stabilize the to achieve the inversion process described below.

Simulationen mit synthetisch erzeugten Daten haben gezeigt, dass mit reinen Extinktionsmessungen nur die Partikelgröße und unter Umständen der Realteil des komplexen Brechungsindex bestimmt werden kann. Ein Zugang zum Imaginärteil des komplexen Brechungsindex ist damit jedoch nicht möglich.simulations with synthetically generated data showed that with pure absorbance measurements only the particle size and under circumstances the real part of the complex refractive index can be determined. An access to the imaginary part However, the complex refractive index is not possible.

Ferner haben Simulationen gezeigt, dass die Verarbeitung von Partikelrückstreukoeffizienten sowohl Information zur Partikelgröße als auch zum komplexen Brechungsindex liefert. Allerdings ist in diesem Fall eine starke Empfindlichkeit der verwendeten Algorithmen gegenüber Messfehlern zu verzeichnen, welche in dem Maß bei der Verarbeitung von Extinktionskoeffizienten nicht auftritt.Further Simulations have shown that the processing of particle backscatter coefficients both information on particle size and the complex refractive index supplies. However, in this case, a strong sensitivity the algorithms used against measurement errors, which in the measure the processing of extinction coefficients does not occur.

Damit ergibt sich, dass eine Kombination beider Datenformen zum einen eine Sensitivität bezüglich der Partikelgröße und dem komplexen Brechungsindex ermöglicht. Zum anderen wird eine relative hohe Robustheit gegenüber Messfehlern erreicht.In order to This results in a combination of both data forms on the one hand a sensitivity regarding the Particle size and the complex refractive index allows. On the other hand, a relatively high robustness against measurement errors reached.

Klassische eindimensionale RegularisierungClassic one-dimensional regularization

Im folgenden wird die Lösungsfindung von optischen in mikrophysikalische Partikeleigenschaften anhand des oben erwähnten, als klassische Anwendung bezeichneten, Inversionsverfahrens (bzw. Inversionsalgorithmus) beschrieben. Das Inversionsverfahren verwendet eine sogenannte klassische eindimensionale Regularisierung.in the the following will be the solution finding from optical to microphysical particle properties of the above, referred to as classical application, inversion method (or Inversion algorithm). The inversion method used a so-called classical one-dimensional regularization.

3 zeigt ein Flussdiagramm 300, in dem der prinzipielle Ablauf der Dateninversion zur Berechnung des mathematischen Lösungsraums dargestellt ist. Gezeigt ist der Fall der Lösungsfindung für einen optischen Datensatz in einer Höhenschicht. Der optische Datensatz, bzw. die optischen Partikeleigenschaften, sind experimentell bestimmt worden, z. B. mittels eines Lidar-Gerätes, beispielsweise des in 1 gezeigten Raman-Lidars. Der oben erwähnte und nachfolgend genauer beschriebene einfache klassische eindimensionale Regularisierungsschritt ist in dem Feld 301 gezeigt. Die Felder 302a und 302b bezeichnen verschiedene Schritte einer Datennachanalyse. Eine genauere Erläuterung der Bedeutung dieser Datennachanalyse erfolgt weiter unten. 3 shows a flowchart 300 , in which the basic procedure of the data inversion for calculating the mathematical solution space is shown. Shown is the case of finding a solution for an optical data set in a height layer. The optical data set, or the optical particle properties, have been determined experimentally, for. B. by means of a lidar device, for example, the in 1 shown Raman Lidars. The simple classical one-dimensional regularization step mentioned above and described in more detail below is in the field 301 shown. The fields 302a and 302b denote different steps of a data analysis. A more detailed explanation of the importance of this data analysis is given below.

Als Eingabe in dem Dateninversionsverfahren dienen die mit dem Mehrwellenlängen-Raman-Lidar gemessenen optischen Parameter (Rückstreu- und Extinktionskoeffizienten). Um zu den gesuchten mikrophysikalischen Parametern zu gelangen, werden numerisch die beiden folgenden Integralgleichungen gelöst:

Figure 00060001
As input to the data inversion process, the optical parameters (backscatter and extinction coefficients) measured with the multi-wavelength Raman lidar are used. In order to arrive at the desired microphysical parameters, the following two integral equations are solved numerically:
Figure 00060001

Diese Gleichungen beschreiben die optischen Eigenschaften von Partikeln in Höhenschichten Z der gemessenen Profile. Zur Vereinfachung wird nachfolgend zunächst auf die Bezeichnung Z verzichtet. Die Integralgleichungen (1) werden auch als Fredholm-Integralgleichungen erster Ordnung bezeichnet. Die numerische Lösung der Gleichungen (1) wird als Inversion bezeichnet.These Equations describe the optical properties of particles in height layers Z of the measured profiles. For simplicity, below is first on the designation Z is omitted. The integral equations (1) are also referred to as Fredholm integral equations of first order. The numerical solution equations (1) is called inversion.

Der Ausdruck gik) beschreibt die optischen Daten bei den Messwellenlängen λk in einer bestimmten Entfernung Z vom Lidar. Der Index i bezeichnet die Partikelrückstreukoeffizienten (i = β) bzw. die Partikelextinktionskoeffizienten (i = α). Der Messfehler wird mit ϵexpi k) bezeichnet. Der Ausdruck υ(r) beschreibt die Volumenkonzentration der Partikel pro Radiusintervall dr. Die Ausdrücke rmin und rmax bezeichnen die untere bzw. oberere Integrationsgrenze der Partikelradien r, die in der Inversion betrachtet werden.The expression g ik ) describes the optical data at the measurement wavelengths λ k at a certain distance Z from the lidar. The index i denotes the particle backscatter coefficients (i = β) or the particle extinction coefficients (i = α). The measurement error is with ε exp i k ) designated. The expression υ (r) describes the volume concentration of the particles per radius interval dr. The terms r min and r max denote the lower and upper integration limits, respectively, of the particle radii r considered in the inversion.

Der Term Ki(r, m, λk, s) beschreibt die Kernfunktionen (kernel functions) von Rückstreuung bzw. Extinktion. Die Kernfunktionen stellen anschaulich den optischen Querschnitt pro Partikelvolumen dar. Die Kernfunktionen hängen ab vom Radius r der Partikel, dem komplexen Brechungsindex m = mRe + imIm der Partikel, der Wellenlänge λk des wechselwirkenden Lichts, sowie den geometrischen Formeigenschaften s der Partikel. Für den Fall, dass die Partikel kugelförmige Gestalt haben, lassen sich die Kernfunktionen Ki(r, m, λk, s) aus den entsprechenden Rückstreu- bzw. Extinktionseffizienzen Qi(r, m, λk) für Einzelpartikel, gewichtet mit derem geometrischen Querschnitt πr2, berechnen. Dies ist z. B. in [6] beschrieben. In diesem Fall gilt: Ki(r, m, λk, s) = (3/4r)Qi(r, m, λk). (2) The term K i (r, m, λ k , s) describes the kernel functions of backscatter and extink, respectively tion. The core functions are intuitively the optical cross section per particle volume. The core functions depend on the radius r of the particles, the complex refractive index m = m Re + Im of the particles, the wavelength λ k of the interacting light, as well as the geometric shape properties of s of the particles. In the case where the particles have a spherical shape, the core functions K i (r, m, λ k , s) can be weighted from the corresponding backbone and extinction efficiencies Q i (r, m, λ k ) for individual particles the geometric cross section πr 2 , calculate. This is z. As described in [6]. In this case: K i (r, m, λ k , s) = (3 / 4r) Q i (r, m, λ k ). (2)

Der Index p beschreibe im folgenden die Art und Anzahl der optischen Daten. Damit kann Gl. (1) umgeschrieben werden in die Form

Figure 00070001
The index p will describe below the type and number of optical data. Thus Eq. (1) be rewritten in the form
Figure 00070001

Gl. (3) wird mittels eines numerischen Verfahrens für die gesuchte Partikelgrößenverteilung υ(r) gelöst. Dies ist an sich z. B. in [7], [8], [9], [10] beschrieben. Charakteristisch für Inversionsverfahren mit derartigen Typen von Integralgleichungen ist, dass sie prinzipiell instabil sind (vgl. hierzu z. B. [11]). Das bedeutet, dass bereits kleinste Fehler (z. B. einige Größenordnungen kleiner als 1%) in den gemessenen optischen Eigenschaften im Regelfall zu nicht brauchbaren Ergebnissen der physikalischen Eigenschaften führen. Zudem findet man bei derartig instabilen Verfahren viele mögliche Lösungen zu einem mit Messfehlern behafteten optischen Datensatz. Ferner können auch Rundungsfehler (z. B. in der Größenordnung von 10–6) dazu führen, dass es keine vernünftige Lösung gibt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von schlecht gestellten inversen Problemen (ill-posed inverse problems).Eq. (3) is solved by means of a numerical method for the sought particle size distribution υ (r). This is in itself z. As described in [7], [8], [9], [10]. Characteristic of inversion methods with such types of integral equations is that they are in principle unstable (see, for example, [11]). This means that even the smallest errors (eg a few orders of magnitude smaller than 1%) in the measured optical properties usually lead to unusable results of the physical properties. In addition, with such unstable methods, many possible solutions to an optical data set subject to measurement errors can be found. Furthermore, rounding errors (eg of the order of 10 -6 ) can lead to a lack of a reasonable solution. In this context, one also speaks of ill-posed inverse problems.

Um diese Instabilitäten zu korrigieren, werden in der Regel mathematische und/oder physikalische Randbedingungen eingeführt, was unter dem Oberbegriff Regularisierung zusammengefasst wird. Durch diese Regularisierung wird das mathematische Verfahren stabilisiert, d. h., es erfolgt eine wesentlich verbesserte Zuordnung von optischen Eigenschaften zu den zugrundeliegenden mikrophysikalischen Partikeleigenschaften.Around these instabilities to correct, are usually mathematical and / or physical boundary conditions introduced, what is summarized under the generic term regularization. This regularization stabilizes the mathematical process d. h., There is a much improved assignment of optical Characteristics of the underlying microphysical particle properties.

Für die Lösungsfindung werden die Rückstreu- bzw. Extinktionseffizienzen Qi(r, m, λk) für ein sogenanntes Gitter von komplexen Brechungsindizes m = mRe + imIm und für Partikelgrößen r im Bereich von beispielsweise 1 nm bis 10 μm berechnet. Für die Brechungsindizes m wurde aus Simulationstudien ermittelt, dass ein Bereich von 1.2 bis 2 im Realteil mRe und ein Bereich von 0 bis 0.5 im Imaginärteil mIm für Anwendungen auf Partikel in der Atmosphäre in der Regel ausreichend ist. Allerdings ist dieser Bereich der Zahlenwerte für mRe bzw. mIm nur beispielhaft und für die Funktionalität des Inversionsverfahrens nicht bindend.For the solution of the invention, the backscatter or extinction efficiencies Q i are (r, m, λ k) for a so-called lattice of the complex refractive index m = m Re + Im and for particle sizes r calculated in the range of, for example, 1 nm to 10 microns. For the refractive indices m, it was determined from simulation studies that a range of 1.2 to 2 in the real part m Re and a range of 0 to 0.5 in the imaginary part m Im is generally sufficient for applications to particles in the atmosphere. However, this range of numerical values for m Re or m Im is not binding and is not binding for the functionality of the inversion method.

In einem weiteren Schritt des Inversionsverfahrens werden sogenannte Basisfunktionen Bj(r) berechnet. Diese stellen Stützstellen innerhalb der numerischen Lösung dar. Ein derartiges Verfahren wird auch als Projektionsverfahren bezeichnet.In a further step of the inversion method, so-called basis functions B j (r) are calculated. These represent support points within the numerical solution. Such a method is also referred to as a projection method.

Die gesuchte Partikelgrößenverteilung υ(r) wird mittels einer Linearkombination der Basisfunktionen Bj(r) diskretisiert, d. h.The sought particle size distribution υ (r) is discretized by means of a linear combination of the basis functions B j (r), ie

Figure 00080001
Figure 00080001

Die wj bezeichnen die Entwicklungskoeffizienten der Linearkombination bzw. die Wichtungsfaktoren, mit denen die einzelnen Basisfunktionen Bj(r) in der Linearkombination gewichtet werden. NB bezeichnet die Anzahl der verwendeten Basisfunktionen.The w j designate the development coefficients of the linear combination or the weighting factors with which the individual basis functions B j (r) in the linear combination are weighted. N B denotes the number of basic functions used.

Die rechte Seite der Gleichung (4) beinhaltet den mathematischen Residuumfehler ϵmath(r) welcher verursacht wird durch die Approximation der gesuchten Größenverteilung υ(r) mittels der Basisfunktionen Bj(r).The right-hand side of equation (4) contains the mathematical residual error ε math (r) which is caused by the approximation of the desired size distribution υ (r) by means of the basis functions B j (r).

Als Basisfunktionen Bj(r) können beispielsweise Basisfunktionen in Form von Dreiecken auf halblogarithmischem Maßstab verwendet werden. Die Verwendung von Dreiecksfunktionen, welche auch als B-Spline-Funktionen ersten Grades bezeichnet werden, ist z. B. in [1] beschrieben. Alternativ zu Dreiecksfunktionen ist jede andere beliebige Form der Basisfunktion verwendbar (z. B. Histogrammsäulen (auch als B-Spline-Funktionen nullten Grades bezeichnet), kubische Funktionen (i. e. B-Spline-Funktionen zweiten Grades), monomodale logarithmische Normalverteilungen, Polynome (n, m)-ten Grades (wobei n und m natürliche Zahlen sind)).For example, base functions in the form of triangles on a semilogarithmic scale can be used as basis functions B j (r). The use of triangle functions, which are also referred to as B-spline functions of the first degree, is for. As described in [1]. Alternative to triangle functions is any other form of base function usable (eg, histogram columns (also referred to as zero-degree B-spline functions), cubic functions (ie, second-order B-spline functions), monomodal logarithmic normal distributions, polynomials (n, m) -th degree (where n and m are natural numbers)).

Die exakte Position der gesuchten Partikelgrößenverteilung entlang des in Gl. (3) verwendeten Größenbereichs (d. h., des Integrationsintervalls [rmin, rmax]) ist in den meisten Fällen unbekannt. Aus diesem Grund kann ein sogenanntes Inversionsfenster verwendet werden, welches als Filterfunktion dient. Dieses Fenster hat eine variable Breite und eine variable Position entlang des untersuchten Größenbereichs. Details hierzu sind beispielsweise in [1] beschrieben. Innerhalb dieses Inversionsfensters werden die Basisfunktionen nebeneinander angeordnet, derart, dass ihre Knoten auf logarithmischem Radius-Maßstab jeweils denselben Abstand zueinander aufweisen. Es ist zu beachten, dass, falls das Inversionsfenster die Position der gesuchten Partikelgrößenverteilung nicht abdeckt, in der Regel keine vernünftigen Lösungen erhalten werden.The exact position of the desired particle size distribution along the in Eq. (3) size range (ie, the integration interval [r min , r max ]) is unknown in most cases. For this reason, a so-called inversion window can be used, which serves as a filter function. This window has a variable width and a variable position along the size range examined. Details on this are described, for example, in [1]. Within this inversion window, the basis functions are arranged side by side such that their nodes have the same distance from each other on a logarithmic radius scale. It should be noted that if the inversion window does not cover the position of the sought particle size distribution, then no reasonable solutions are usually obtained.

Die Wichtungsfaktoren wj folgen aus dem Einsetzen von Gl. (4) in Gl. (3) und der Umschreibung dieser Gleichungen in eine Vektor-Matrix-Gleichung der Form: g = Aw + ϵ. (5) The weighting factors w j follow from the insertion of Eq. (4) in Eq. (3) and the transformation of these equations into a vector-matrix equation of the form: g = Aw + ε. (5)

In Gl. (5) sind die optischen Daten als Vektor g = [gp] dargestellt. Die Wichtungsfaktoren sind als Vektor w = [wj] dargestellt. Die Fehler sind dargestellt als Vektor ϵ = [ϵp]. Der Ausdruck ϵp = ϵexpp + ∫Kp(r, m)ϵmathp dr besteht aus der Summe von experimentellem und mathematischem Fehler. Die Matrix A = [Apj] wird als Wichtungsmatrix bezeichnet, siehe hierzu z. B. [12]. Ihre Elemente werden geschrieben als

Figure 00090001
In Eq. (5) the optical data are shown as vector g = [g p ]. The weighting factors are shown as vector w = [w j ]. The errors are represented as vector ε = [ε p ]. The expression ε p = ε exp p + ∫K p (r, m) ε math p dr consists of the sum of experimental and mathematical errors. The matrix A = [A pj ] is called a weighting matrix, see z. For example, [12]. Your elements are written as
Figure 00090001

Die einfache Lösung von Gl. (5) für die Wichtungsfaktoren w führt auf die Lösung w = A–1 g + ϵ', (7)wobei A–1 die zur Matrix A inverse Matrix bezeichnet und ϵ' = –A–1ϵ. Die Lösung nach Gl. (7) liefert unphysikalische bzw. instabile Lösungen. Der Grund hierfür ist in der oben erwähnten ”Schlechtgestelltheit” des mathematischen Problems zu sehen (siehe hierzu z. B. [12]).The simple solution of Eq. (5) for the weighting factors w leads to the solution w = A -1 g + ε ', (7) where A -1 denotes the matrix inverse matrix and ε '= -A -1 ε. The solution according to Eq. (7) provides non-physical or unstable solutions. The reason for this is to be seen in the above-mentioned "bad position" of the mathematical problem (see, for example, [12]).

Im Rahmen des Inversionsverfahrens wird daher ein sogenannter Stabilisierungsterm eingeführt. Dieser Rechenschritt wird auch als ”Regularisierung” bezeichnet. Anschaulich werden mathematische bzw. physikalische Randbedingungen zur Stabilisierung eingeführt.in the The framework of the inversion process therefore becomes a so-called stabilization term introduced. This calculation step is also called "regularization". Illustrative are mathematical or physical constraints introduced for stabilization.

Ohne die vorgenannte Regularisierung können zwar Größenverteilungen bestimmt werden, welche, wenn man aus diesen die optischen Daten zurückrechnet, sehr gut mit den vorgegebenen optischen Daten übereinstimmen. Allerdings haben diese Lösungen in der Regel keine Ähnlichkeit mit den gesuchten physikalischen Größenverteilungen. Der Grund für dieses paradoxe Verhalten ergibt sich aus der Eigenschaft, dass schlecht gestellte inverse Probleme eine Nichteindeutigkeit des Lösungsraums erzeugen.Without the aforementioned regularization can indeed size distributions It can be determined which, if one from these the optical data back calculated very good with the given optical data. However, have these solutions usually no similarity with the sought-after physical size distributions. The reason for this paradoxical behavior arises from the property that bad asked inverse problems a non-identity of the solution space produce.

Im Rahmen der Regularisierung wird in einem ersten Schritt verlangt, dass diejenigen Lösungen gefunden werden, für die ϵ in Gl. (5) minimal ist, oder genauer gesagt, für die der Abstand zwischen dem Vektor Aw und dem Vektor g der optischen Daten kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Dieser Schritt führt zu dem sogenannten Minimierungskonzept (auch als Methode des minimalen Abstands bezeichnet). Im Minimierungskonzept verwendet man eine sogenannte Straffunktion (penalty function) e2, welche den maximalen akzeptablen Abstand zwischen Aw und g bezeichnet und definiert ist über die einfache Euklidische Norm ||·|| (siehe hierzu z. B. [1], [9], [12]) gemäß: e2 ≥ ||ϵ||2 = ||Aw – g||2. (8) In the context of regularization, a first step is required to find those solutions for which ε in Eq. (5) is minimum, or more specifically, for which the distance between the vector Aw and the vector g of the optical data is smaller than a predetermined value. This step leads to the so-called minimization concept (also referred to as the minimum distance method). The minimization concept uses a so-called penalty function e 2 , which denotes the maximum acceptable distance between Aw and g and is defined by the simple Euclidean norm || · || (see eg [1], [9], [12]) according to: e 2 ≥ || ε || 2 = || Aw - g || 2 , (8th)

Der Ausdruck δ* = ||Aw – g||, (9)d. h. der Abstand zwischen Aw und g, wird gewöhnlich als (klassische) Diskrepanz bezeichnet. Die Diskrepanz stellt anschaulich ein Maß dafür dar, wie weit eine mittels der Inversion berechnete Lösung von der wahren Lösung abweicht. Mit Hilfe des Minimierungskonzepts werden diejenigen Lösungen ausgewählt, für welche die Norm von ϵ, d. h. die Diskrepanz, unter einen bestimmten Minimalwert > 0 fällt. Aus ersten Prinzipien ist es unmöglich, die vorgegebenen optischen Daten exakt aus den gefundenen Lösungen zu den mikrophysikalischen Eigenschaften der Partikel zu reproduzieren.The expression δ * = || Aw - g ||, (9) ie the distance between Aw and g is usually called a (classical) discrepancy. The discrepancy represents clearly a measure of how far a solution calculated by inversion deviates from the true solution. With the help of the minimization concept those solutions are selected for which the norm of ε, ie the discrepancy, falls below a certain minimum value> 0. From first principles it is impossible to reproduce the given optical data exactly from the solutions found to the microphysical properties of the particles.

Durch Einführen weiterer (sinnvoller) mathematischer bzw. physikalischer Randbedingungen kann die Minimierungsanforderung in einem zweiten Schritt weiter verstärkt werden. Als Randbedingung wird im folgenden die sogenannte Glattheitsbedingung betrachtet. Alternativ können auch andere Randbedingungen, wie z. B. Positivität der Lösung, betrachtet werden.By Introduce further (useful) mathematical or physical boundary conditions The minimization request may continue in a second step reinforced become. In the following, the so-called smoothness condition becomes a boundary condition considered. Alternatively you can Other constraints, such. B. positivity of the solution to be considered.

Die Glattheitsbedingung wird durch Einführen eines zusätzlichen Strafterms Γ(υ) in Gl. (8) eingeführt, so dass das neue Minimierungsproblem lautet: e2 ≥ ||Aw – g||2 + γΓ(υ). (10) The smoothness condition is established by introducing an additional penalty term Γ (υ) in Eq. (8), so the new minimization problem is: e 2 ≥ | Aw - g || 2 + γΓ (υ). (10)

Der Ausdruck Γ(υ) ist ein nicht-negativer Skalar, welcher den Abstand der aus der Inversion gewonnenen Größenverteilung υ(r) von einer a priori gewählten Glattheit misst. Die Glattheit kann von der Ordnung Null, Eins, Zwei bzw. π(n ϵ

Figure 00100001
) sein. γ ist ein nicht-negativer Regularisierungs-Parameter bzw. Lagrange-Multiplikator.The expression Γ (υ) is a non-negative scalar, which measures the distance of the size distribution υ (r) obtained from the inversion of an a priori selected smoothness. The smoothness can be of the order zero, one, two or π (n ε
Figure 00100001
) be. γ is a non-negative regularization parameter or Lagrange multiplier.

Bezeichnet man mit wT die transponierte Form des Vektors w, so lässt sich die mathematische Definition der Glattheitsbedingung Γ(υ) schreiben als (siehe hierzu z. B. [12]) Γ(υ) = wTHw. (11) Denoting by w T is the transpose of the vector w, so can the mathematical definition of smoothness condition Γ (υ) written as (see eg. B. [12]) Γ (υ) = w T Hw. (11)

Mit anderen Worten ist die Glattheit mathematisch definiert durch eine quadratische Kombination der Wichtungsfaktoren wj und somit durch die in Gl. (11) beschriebene quadratische Form. Die Matrix H ist in der Regel eine einfache Fast-Diagonal-Matrix. Im Falle einer Glattheitsbedingung zweiter Ordnung lautet die mathematische Form von H beispielsweise

Figure 00110001
für den Fall, dass fünf Basisfunktionen Bj(r) (j = 1, 2, ..., 5) und ein optischer Datensatz g = [gp] bestehend aus fünf Datenpunkten (p = 1, 2, ..., 5) verwendet werden. Weitere Beispiele für Glattheitsbedingungen und zugehörige Matrizen H sind z. B. in [12] beschrieben.In other words, the smoothness is defined mathematically by a quadratic combination of the weighting factors w j and thus by the in Eq. (11) described square shape. The matrix H is usually a simple fast diagonal matrix. For example, in the case of a second-order smoothness condition, the mathematical form of H is
Figure 00110001
in the case where five basis functions B j (r) (j = 1, 2, ..., 5) and one optical data set g = [g p ] consisting of five data points (p = 1, 2, ..., 5) can be used. Further examples of smoothness conditions and associated matrices H are z. As described in [12].

In einem weiteren Schritt der Regularisierung wird die Ungleichung (10) als Gleichung geschrieben und Γ(υ) wird durch Gl. (11) ausgedrückt: e2 = ||Aw – g||2 + γwTHw. (13) In a further step of regularization, inequality (10) is written as an equation and Γ (υ) is given by Eq. (11) expressed: e 2 = || Aw - g || 2 + γw T Hw. (13)

Gesucht ist nun die Lösung, für die gesamte Straffunktion, d. h. die rechte Seite in Gl. (13), ein Minimum annimmt. Als Lösung für die Wichtungsfaktoren w erhält man (siehe hierzu z. B. [12]): w = (ATA + γH)–1ATg, (14)wobei AT die zu A transponierte Matrix bezeichnet.Now the solution is sought, for the entire penalty function, ie the right side in Eq. (13), takes a minimum. The solution for the weighting factors w is obtained (see for example [12]): w = (A T A + γH) -1 A T g, (14) where A T denotes the matrix transposed to A.

Das inverse Problem wird durch die Matrix (ATA + γH)–1AT stabilisiert. Der Einfluss der Matrix H wird durch den Lagrange-Multiplikator – bestimmt. Für γ = 0 wird keine Glättung durchgeführt. Für γ → ∞ erhält man eine perfekt glatte Lösung υ(r), welche jedoch unabhängig von g ist. Der optimale Wert von γ liegt zwischen diesen beiden Extremfällen. In [1] ist ein Überblick über verschiedene Techniken zum Auffinden eines optimalen Wertes von γ beschrieben. Eine Technik, welche beispielsweise in [2] verwendet wird, ist die sogenannte verallgemeinerte Kreuz-Validierung bzw. verallgemeinerte über-Kreuz-Validierung (generalized cross-validation).The inverse problem is stabilized by the matrix (A T A + γ H) -1 A T. The influence of the matrix H is determined by the Lagrange multiplier -. For γ = 0, no smoothing is performed. For γ → ∞ we get a perfectly smooth solution υ (r), which is independent of g. The optimal value of γ lies between these two extreme cases. In [1] an overview of various techniques for finding an optimal value of γ is described. One technique that is used in [2], for example, is the so-called generalized cross-validation or generalized cross-validation on).

Eine andere Technik, welche beispielsweise in [3] verwendet wird, basiert auf einem modifizierten Minimum-Diskrepanz-Prinzip. Hier wird die sogenannte modifizierte Diskrepanz δ = ||A|w| – g|| (15)betrachtet. Der Ausdruck |w| in Gl. (15) ist so zu verstehen, dass jedes Element des Wichtungsvektors w in seinen Absolutwert umgewandelt ist. Die Idee des modifizierten Diskrepanz-Prinzips besteht darin, den Ausdruck δ υals eine Funktion des Lagrange-Multiplikators bzw. Regularisierungsparameters γ zu minimieren. Der optimale Wert des Lagrange-Multiplikators (γopt) ist dann der Wert, für den die nach Gl. (14) ermittelte Lösung des Wichtungsvektors w den Ausdruck δ in Gl. (15) minimiert.Another technique, used for example in [3], is based on a modified minimum-discrepancy principle. Here is the so-called modified discrepancy δ = || A | w | - g || (15) considered. The expression | w | in Eq. (15) is understood to mean that each element of the weighting vector w has been converted into its absolute value. The idea of the modified discrepancy principle is to minimize the expression δ as a function of the Lagrange multiplier or regularization parameter γ. The optimal value of the Lagrangian multiplier (γ opt ) is then the value for which the equation according to Eq. (14) solution of the weight vector w has the expression δ in Eq. (15) minimized.

In einem letzten Rechenschritt wird der optimale Wert der gesuchten Größenverteilung für einen unbekannten Wert des Brechungsindex m bestimmt. Hierzu untersucht man das Gleichungssystem (1) für verschiedene komplexe Brechungsindizes, welche sowohl wellenlängenabhängig oder wellenlängenunabhängig als auch partikelgrößenabhängig oder partikelgrößenunabhängig sein können. Diese Eigenschaft wird über die Kernfunktionen Kp(r, m) in Gl. (3) eingeführt. Durch Analyse der einzelnen gefundenen Lösungen in Abhängigkeit vom jeweils optimalen Wert des Lagrange-Multiplikators γ bestimmt man dann die Lösungen für den komplexen Brechungsindex m.In a final calculation step, the optimum value of the desired size distribution for an unknown value of the refractive index m is determined. For this purpose, the equation system (1) is investigated for various complex refractive indices, which can be wavelength-dependent or wavelength-independent as well as particle size-dependent or particle size-independent. This property is determined by the kernel functions K p (r, m) in Eq. (3) introduced. By analyzing the individual solutions found as a function of the respective optimal value of the Lagrange multiplier γ, one then determines the solutions for the complex refractive index m.

Mit dem soeben beschriebenen Inversionsverfahren wird der sogenannte mathematische Lösungsraum ermittelt. Dieser Lösungsraum ist eine Obermenge des gesuchten physikalischen Lösungsraums, und in dem Inversionsverfahren muss über eine aufwändige Datennachbearbeitung der physikalisch sinnvolle Lösungsraum ermittelt werden.With The inversion method just described becomes the so-called mathematical solution space determined. This solution space is a superset of the sought-after physical solution space, and in the inversion process must have a complex data post-processing the physically meaningful solution space be determined.

Grund für diese Uneindeutigkeit bzw. Instabilität des Lösungsraums ist die typische Eigenschaft eines schlecht gestellten inversen Problems. Hierbei spielen auch die Messfehler eine Rolle, welche bei Lidarmessungen typischerweise größer als 5% sind und ohne weiteres mehr als 50% erreichen können. Diese Messfehler hängen z. B. von den atmosphärischen Bedingungen, der Messdauer und der räumlichen (vertikalen) Auflösung der Messungen ab. Durch entsprechende Mittelungszeiten können die Fehler auf ein solches Maß gedrückt werden, dass die Inversionsverfahren erfolgreich angewandt werden können, sofern eine Regularisierung angewendet wird. Aus Simulationsstudien ist bekannt, dass Messfehler typischerweise weniger als 20% betragen sollten. Ohne eine Regularisierung sind bereits Ungenauigkeiten von weniger als 10–6 ausreichend, um zu nicht brauchbaren Inversionsergebnissen zu gelangen.The reason for this ambiguity or instability of the solution space is the typical property of a badly set inverse problem. Here, the measurement errors also play a role, which are typically greater than 5% in Lidarmessungen and can easily reach more than 50%. These measurement errors depend on z. B. from the atmospheric conditions, the duration of measurement and the spatial (vertical) resolution of the measurements. By means of appropriate averaging times, the errors can be pushed to such an extent that the inversion methods can be successfully applied if regularization is used. From simulation studies it is known that measurement errors should typically be less than 20%. Without regularization, inaccuracies of less than 10 -6 are sufficient to get ineffective inversion results.

Mit der sogenannten Regularisierung wird im Inversionsverfahren angestrebt, einen Lösungsraum zu bestimmen, welcher folgende zwei Bedingungen erfüllt: Erstens soll der Lösungsraum zu den physikalischen Größen den gesuchten Größen so nahe wie möglich kommen. Zum anderen sollen die aus diesem Lösungsraum zurückgerechneten optischen Daten die Eingangsdaten möglichst gut reproduzieren. Wie oben erwähnt ist es aus fundamentalen Gründen nicht möglich, die exakten mikrophysikalischen Lösungen zu finden, d. h., die Lösungen, aus denen sich gleichzeitig exakt die optischen Eingangsdaten reproduzieren lassen. Diese Besonderheit von schlecht gestellten inversen Problemen erfordert daher eine aufwändige Nachbearbeitung des mathematischen Lösungsraums. Hierzu wurde ein Schema entwickelt, mit dessen Hilfe sich der mathematische Lösungsraum auf einen physikalisch sinnvollen Lösungsraum eingrenzen lässt, was allerdings mit einem hohen zeitlichen und personellen Aufwand verbunden ist.With the so-called regularization is sought in the inversion process, a solution room to determine which meets the following two conditions: First should the solution space to the physical quantities the wanted sizes so close as possible come. On the other hand, those calculated from this solution space are to be counted back optical data reproduce the input data as well as possible. As mentioned above it for fundamental reasons not possible, to find the exact microphysical solutions, d. h., the Solutions, from which reproduce exactly the same time the optical input data to let. This peculiarity of ill-posed inverse problems therefore requires a complex Post-processing of the mathematical solution space. This was a Scheme designed by means of which the mathematical solution space limited to a physically meaningful solution space, which However, associated with a high expenditure of time and personnel is.

Die Vorgehensweise zum Auffinden des physikalischen Loesungsraums wird im folgenden beschrieben. Hierbei geht man vom mathematischen Lösungsraum aus, so wie er beispielsweise anhand des in 3 dargestellten Lösungsschemas 300 ermittelt wurde. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass in dem oben beschriebenen Verfahren immer nur optische Datensätze in einer Höhenschicht der Vertikalprofile als Eingabedatensatz ausgewertet werden.The procedure for finding the physical solution space will be described below. Here, one starts from the mathematical solution space, as he, for example, based on the in 3 illustrated solution schemes 300 was determined. In this context, it should be noted that in the method described above, only optical data sets in a vertical layer of the vertical profiles are always evaluated as an input data record.

Der spezielle Ansatz im oben beschriebenen Verfahren, welches auch als ”klassische eindimensionale” Regularisierung bezeichnet wird, ist die Vorgabe, dass man aus den optischen Profilen Höhenschichten auswählt, innerhalb denen die optischen Daten gemittelt werden, um kleinere Schwankungen in den optischen Daten auszumitteln. Der Begriff der ”kleineren Schwankungen” ist dabei schwer quantifizierbar. Entsprechende Untersuchungen fehlen bisher, und aus der Literatur lassen sich keine nachhaltigen Schlüsse ziehen. Man muss gegenwärtig davon ausgehen, dass Schwankungen der Mittelwerte der optischen Parameter Ångström-Exponent und Lidarverhältnis innerhalb von 20% als quasi-konstant anzusehen sind.Of the special approach in the method described above, which is also called "classical one-dimensional "regularization is the default, that one from the optical profiles Height layers selects within which the optical data are averaged to smaller variations in the optical data. The concept of "smaller Fluctuations "is difficult to quantify. Corresponding studies are missing so far, and from the literature, no lasting conclusions can be drawn. You have to be present assume that fluctuations in the means of the optical Parameter Ångström exponent and lidar ratio within 20% are considered quasi-constant.

Mit einem anderen Inversionsverfahren, welches in [14] offenbart ist, kann eine Mittelung der optischen Daten in übereinanderliegenden Höhenschichten vermieden werden. Gemäß diesem Verfahren werden ganze Abschnitte von optischen Vertikalprofilen (von einer minimalen Höhe bis zu einer frei wählbaren maximalen Höhe) als Eingabedatensatz verwendet. Hierzu wird ein modifizierter Ansatz in der Matrizenrechnung eingeführt, welcher auch als ”zweidimensionale Regularisierung” bezeichnet wird. Matrizenrechnungen sind ein Kernteil dieses Inversionsverfahrens.With another inversion method disclosed in [14] can be an averaging of the optical data in superimposed altitude layers be avoided. According to this Procedures are whole sections of optical vertical profiles (from a minimum height up to a freely selectable maximum height) used as input data. This will be a modified approach introduced in the matrix calculation, which also called "two-dimensional Regularization " becomes. Matrix calculations are a core part of this inversion method.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem das Ermitteln von physikalischen bzw. mikrophysikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel auf einfachere Weise ermöglicht wird verglichen mit herkömmlichen Verfahren.Of the The invention is based on the problem of providing a method with which the determination of physical or microphysical Characteristics of atmospheric Particles in a simpler way is compared with usual Method.

Das Problem wird gelöst durch ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein computerlesbares Speichermedium und ein Computerprogramm-Element zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.The Problem is solved by a method, apparatus, computer readable storage medium and a computer program element for determining physical Properties of atmospheric particles with the features according to the independent claims.

Beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung, welche im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das computerlesbare Speichermedium und das Computerprogramm-Element.exemplary Embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims. The further embodiments of the invention, which in connection with are described in the procedure apply mutatis mutandis to the device, the computer-readable Storage medium and the computer program element.

Bei einem Verfahren zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel wird mindestens ein Vertikalprofil mindestens einer optischen Eigenschaft der Partikel bereitgestellt. Ferner wird mindestens ein Vertikalprofil mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Partikel mittels eines Inversionsverfahrens aus dem mindestens einen Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel ermittelt, wobei im Rahmen des Inversionsverfahrens ein für eine Mehrzahl von Höhenschichten der Vertikalprofile gemeinsames Diskrepanzparameterprofil ermittelt wird und das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen physikalischen Eigenschaft unter Verwendung des Diskrepanzparameterprofils ermittelt wird.at a method of determining physical properties of atmospheric Particles will have at least one vertical profile of at least one optical Property of the particles provided. Furthermore, at least a vertical profile of at least one physical property of Particles by means of an inversion of the at least one Vertical profile of the at least one optical property of the particles determined wherein in the context of the inversion process one for a plurality of height layers the vertical profiles common discrepancy parameter profile determined and that at least one vertical profile of the at least one physical property using the discrepancy parameter profile is determined.

Es wird ferner eine Vorrichtung bereitgestellt zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel. Die Vorrichtung weist auf eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer optischen Eigenschaft der Partikel. Die Vorrichtung weist ferner auf eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Partikel aus dem mindestens einen Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel mittels eines Inversionsverfahrens, wobei die Ermittlungseinrichtung so eingerichtet ist, dass im Rahmen des Inversionsverfahrens ein für eine Mehrzahl von Höhenschichten der Vertikalprofile gemeinsames Diskrepanzparameterprofil ermittelt wird und das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen physikalischen Eigenschaft der Partikel unter Verwendung des Diskrepanzparameterprofils ermittelt wird.It There is further provided an apparatus for determining physical Characteristics of atmospheric Particle. The device points to a provision device for providing at least one vertical profile of at least one optical property of the particles. The device also has to a determination device for determining at least one vertical profile at least one physical property of the particles from the at least one vertical profile of the at least one optical property the particle by means of an inversion method, wherein the determining means is set up so that in the context of the inversion process for one Plurality of height layers the vertical profiles common discrepancy parameter profile determined and that at least one vertical profile of the at least one physical property of the particles using the discrepancy parameter profile is determined.

Es wird ferner ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt. In dem computerlesbaren Speichermedium ist ein Programm zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel gespeichert, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, folgende Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer optischen Eigenschaft der Partikel; Ermitteln mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Partikel mittels eines Inversionsverfahrens aus dem mindestens einen Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel, wobei im Rahmen des Inversionsverfahrens ein für eine Mehrzahl von Höhenschichten der Vertikalprofile gemeinsames Diskrepanzparameterprofil ermittelt wird und das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen physikalischen Eigenschaft der Partikel unter Verwendung des Diskrepanzparameterprofils ermittelt wird.It In addition, a computer-readable storage medium is provided. In the computer-readable storage medium is a program for determining stored by physical properties of atmospheric particles, when executed by a processor, the following method steps comprising: providing at least one vertical profile at least an optical property of the particles; Determine at least one Vertical profiles of at least one physical property of Particles by means of an inversion of the at least one Vertical profile of the at least one optical property of the particles, wherein in the context of the inversion process one for a plurality of height layers the vertical profiles common discrepancy parameter profile determined and the at least one vertical profile of the at least one physical Property of the particles using the discrepancy parameter profile is determined.

Ferner wird ein Computerprogramm-Element zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel bereitgestellt, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, folgende Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer optischen Eigenschaft der Partikel; Ermitteln mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Partikel mittels eines Inversionsverfahrens aus dem mindestens einen Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel, wobei im Rahmen des Inversionsverfahrens ein für eine Mehrzahl von Höhenschichten der Vertikalprofile gemeinsames Diskrepanzparameterprofil ermittelt wird und das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen physikalischen Eigenschaft der Partikel unter Verwendung des Diskrepanzparameterprofils ermittelt wird.Further becomes a computer program element for determining physical Characteristics of atmospheric Provided particles which, when executed by a processor, comprising the following method steps: providing at least one Vertical profiles of at least one optical property of the particles; Determining at least one vertical profile of at least one physical Property of the particles by means of an inversion process the at least one vertical profile of the at least one optical property the particle, wherein in the context of the inversion process one for a plurality of altitude layers the vertical profiles common discrepancy parameter profile determined and that at least one vertical profile of the at least one physical property of the particles using the discrepancy parameter profile is determined.

Unter einem Vertikalprofil ist im Rahmen dieser Anmeldung zu verstehen, dass eine bestimmte Eigenschaft, Größe oder Parameter für verschiedene Höhenwerte erfasst oder ermittelt wird und somit in Abhängigkeit von der Höhe dargestellt werden kann. Mit anderen Worten wird die Eigenschaft (bzw. die Größe oder der Parameter) vertikal aufgelöst erfasst oder gemessen. Noch anders ausgedrückt beschreibt das Vertikalprofil die Abhängigkeit einer bestimmten Eigenschaft, einer bestimmten Größe oder eines bestimmten Parameters von der Höhe. Beispielsweise beschreibt das Vertikalprofil einer optischen Eigenschaft von atmosphärischen Partikeln die Abhängigkeit dieser optischen Eigenschaft von der Höhe (in der Atmosphäre).For the purposes of this application, a vertical profile is to be understood as meaning that a specific property, quantity or parameter for different altitude values is detected or determined and thus dependent on it can be represented by the height. In other words, the property (or size or parameter) is detected or measured vertically resolved. Stated another way, the vertical profile describes the dependence of a certain property, quantity or parameter on altitude. For example, the vertical profile of an optical property of atmospheric particles describes the dependence of this optical property on altitude (in the atmosphere).

Unter dem Ausdruck ”Diskrepanzparameter” ist in dieser Anmeldung die Diskrepanz, wie sie in Gl. (15) beschrieben ist, zu verstehen. Allgemeiner kann unter einem Diskrepanzparameter ein Ausdruck verstanden werden, der die Diskrepanz, wie sie z. B. in Gl. (9) definiert ist, beschreibt. Die beiden Bezeichnungen ”Diskrepanz” und ”Diskrepanzparameter” werden in diesem Zusammenhang gleichberechtigt verwendet.Under the term "discrepancy parameter" is in of this application the discrepancy, as described in Eq. (15) is to understand. More general can be under a discrepancy parameter understood an expression that the discrepancy, as z. B. in Eq. (9) is defined. The two terms "discrepancy" and "discrepancy parameters" become used in this context on an equal footing.

Unter dem Ausdruck ”Diskrepanzparameterprofil” bzw. ”gemeinsames Diskrepanzparameterprofil” wird in dieser Anmeldung verstanden, dass für den Diskrepanzparameter ein optimaler Wert ermittelt bzw. berechnet wird, welcher in allen Höhenschichten gleichermaßen gültig ist. Mit anderen Worten wird ein gemeinsamer Wert des Diskrepanzparameters für alle Höhenschichten ermittelt.Under the term "discrepancy parameter profile" or "common Discrepancy parameter profile " in this application understood that for the discrepancy parameter a optimal value is calculated or calculated, which in all height layers equally valid is. In other words, it becomes a common value of the discrepancy parameter for all elevation levels determined.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel bereitgestellt, indem die mindestens eine optische Eigenschaft mittels mindestens einer optischen Messung erfasst wird, Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die mindestens eine optische Messung eine Lidar-Messung. Die Lidar-Messung kann unter Verwendung eines Lidar-Gerätes, zum Beispiel eines Mehrwellenlängen-Lidar-Gerätes, beispielsweise eines Mehrwellenlängen-Raman-Lidars, erfolgen. Mit anderen Worten kann die optische Messung unter Verwendung von Laserstrahlung bzw. Laser-Lichtpulsen erfolgen. Das Lidar-Gerät kann beispielsweise so eingerichtet sein, wie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde.According to one embodiment of the invention, the at least one vertical profile of the at least one optical property of the particles is provided by detecting the at least one optical property by means of at least one optical measurement. According to another embodiment, the at least one optical measurement is a lidar measurement. The lidar measurement may be performed using a lidar device, for example, a multi-wavelength lidar device, such as a multi-wavelength Raman lidar. In other words, the optical measurement can be carried out using laser radiation or laser light pulses. For example, the lidar device may be configured as described above 1 has been described.

Gemäß einer Ausgestaltung kann die mindestens eine optische Eigenschaft bei einer oder mehreren Wellenlängen erfasst bzw. gemessen werden, beispielsweise bei einer oder mehreren Wellenlängen im Bereich von ungefähr 355 nm bis ungefähr 1064 nm. Beispielsweise kann die mindestens eine optische Eigenschaft für mindestens drei unterschiedliche Wellenlängen gemessen werden, z. B. bei 355 nm, 532 nm und 1064 nm. Alternativ können zusätzliche und/oder andere Mess-Wellenlängen in der optischen Messung verwendet werden.According to one Embodiment, the at least one optical property at one or more wavelengths be detected or measured, for example, in one or more wavelength in the range of about 355 nm to about 1064 nm. For example, the at least one optical property for at least three different wavelengths be measured, for. At 355 nm, 532 nm and 1064 nm. Alternatively can additional and / or other measuring wavelengths be used in the optical measurement.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird die mindestens eine optische Eigenschaft der Partikel in jeder einzelnen der Mehrzahl von Höhenschichten erfasst.According to one another embodiment, the at least one optical property the particle in each one of the plurality of height layers detected.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung werden/wird mittels der Lidar-Messung der Rückstreukoeffizient und/oder der Extinktionskoeffizient der Partikel bei mindestens einer optischen Wellenlänge als die mindestens eine optische Eigenschaft erfasst. Mit anderen Worten werden der Partikel-Rückstreukoeffizient und/oder der Partikel-Extinktionskoeffizient für Partikel in einer oder mehreren Höhenschichten erfasst (bzw. gemessen). Die gemessenen Koeffizienten können als Eingangsgrößen in dem Inversionsverfahren verwendet werden.According to one another embodiment will / will by means of Lidar measurement of Backscatter coefficient and / or the extinction coefficient of the particles at least one optical wavelength as the detected at least one optical property. With others Words become the particle backscatter coefficient and / or the particle extinction coefficient for particles in one or more elevation levels recorded (or measured). The measured coefficients can be considered Input variables in the Inversion method can be used.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung weist das Inversionsverfahren mindestens einen Regula risierungsschritt auf, und das Ermitteln des Diskrepanzparameterprofils erfolgt im Rahmen des mindestens einen Regularisierungsschrittes. Mit anderen Worten erfolgt im Rahmen der Dateninversion eine Regularisierung. Unter einer Regularisierung ist dabei, wie oben beschrieben, zu verstehen, dass in dem Inversionsverfahren geeignete Randbedingungen eingeführt werden, um das Inversionsverfahren zu stabilisieren.According to one In another embodiment, the inversion method has at least one Regula rationsschritt, and determining the discrepancy parameter profile takes place within the scope of the at least one regularization step. In other words, regularization occurs as part of the data inversion. Under regularization is understood as described above, that suitable boundary conditions are introduced in the inversion process, to stabilize the inversion process.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung werden als die mindestens eine physikalische Eigenschaft der Partikel die mittlere Größe (z. B. effektiver Radius oder mittlerer Volumenradius) von Partikelgrössenverteilungen und/oder der komplexe Brechungsindex der Partikel und/oder die Form der Partikel ermittelt bzw. bestimmt. Mit anderen Worten können das Vertikalprofil der mittleren Partikelgröße und/oder das Vertikalprofil des komplexen Brechungsindex der Partikel und/oder das Vertikalprofil der Partikelform ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich können Vertikalprofile der Anzahlkonzentration und/oder der Oberflächenkonzentration und/oder der Volumenkonzentration ermittelt werden.According to one other embodiment than the at least one physical Property of particles the mean size (eg effective radius or average volume radius) of particle size distributions and / or the complex refractive index of the particles and / or the shape of the particles determined or determined. In other words, the vertical profile of the average particle size and / or the vertical profile of the complex refractive index of the particles and / or the vertical profile of the particle shape can be determined. alternative or additionally can Vertical profiles of the number concentration and / or the surface concentration and / or the volume concentration are determined.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können Vertikalprofile von physikalischen Eigenschaften von atmosphärischen Partikeln (z. B. Partikelgrößenverteilung, mittlere Partikelgröße, komplexer Brechungsindex und aus der Verteilung abgeleitete integrale Parameter wie z. B. Anzahl-, Oberflächen- und Volumenkonzentration) ermittelt werden. Die Bestimmung von Größenverteilungen kann beispielsweise im Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 5 μm Partikelradius erfolgen, z. B. für den Fall, dass Messwellenlängen im Bereich von 355 nm bis 1064 nm zum Erfassen der optischen Partikeleigenschaften verwendet werden.According to one embodiment of the invention, vertical profiles of physical properties of atmospheric particles (eg particle size distribution, mean particle size, complex refractive index and integral parameters derived from the distribution such as number, surface and volume concentration) can be determined. The determination of size distributions may, for example, be in the range of about 50 nm to about 5 μm particle radius, e.g. B. in the event that measurement wavelengths in Be range from 355 nm to 1064 nm can be used to detect the optical particle properties.

Gemäß manchen Ausgestaltungen der Erfindung wird die Ableitung von Partikelgrößenverteilungen und/oder komplexem Brechungsindex der Partikel aus optischen Eigenschaften der Partikel ermöglicht.According to some Embodiments of the invention will be the derivation of particle size distributions and / or complex refractive index of the particles of optical properties allows the particle.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Bereitstellungseinrichtung so eingerichtet, dass die mindestens eine optische Eigenschaft der Partikel mittels mindestens einer optischen Messung erfasst und bereitgestellt werden kann.According to one Another embodiment of the invention is the provision device arranged so that the at least one optical property of Particles detected by at least one optical measurement and can be provided.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Vorrichtung zum Ermitteln der physikalischen Eigenschaften als Lidar-Mess-Vorrichtung eingerichtet, z. B. als eine Raman-Lidar-Mess-Vorrichtung, beispielsweise als Mehrwellenlängen-Raman-Lidar.According to one Another embodiment is the device for determining the physical Properties set up as Lidar measuring device, z. B. as a Raman lidar measuring device, for example, as a multi-wavelength Raman lidar.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird als Inversionsverfahren ein Inversionsverfahren mit umformulierter eindimensionaler Regularisierung verwendet.According to one Embodiment of the invention is an inversion method as an inversion method used with reformulated one-dimensional regularization.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird als Inversionsverfahren ein Inversionsverfahren mit zweidimensionaler Regularisierung verwendet.According to one In another embodiment, the inversion method is an inversion method used with two-dimensional regularization.

Im folgenden werden die umformulierte eindimensionale Regularisierung (im folgenden auch als modifizierte eindimensionale Regularisierung bezeichnet) und nachfolgend die zweidimensionale Regularisierung beschrieben.in the The following are the reformulated one-dimensional regularization (also referred to as modified one-dimensional regularization and subsequently the two-dimensional regularization is described.

Umformuliertes eindimensionales inverses Problem: ”Höhenrichtung”Reformulated one-dimensional inverse Problem: "height direction"

In einem ersten Schritt der Regularisierung werden wieder die Entfernung Z zwischen dem Ort des optischen Streuprozesses und der Empfangseinheit des Lidargerätes eingeführt.In a first step of regularization will be the removal again Z between the location of the optical scattering process and the receiving unit of the lidar device introduced.

Es werden die optischen Daten für l = 1, ..., NL verschiedene Höhenschichten bereitgestellt. Die optischen Daten können beispielsweise mittels einer oder mehrerer optischer Messungen, z. B. Lidar-Messungen, wie oben beschrieben, erfasst bzw. gemessen worden sein. Gl. (3) wird so umgeschrieben, dass das inverse Problem nicht nur für eine Höhenschicht sondern für mehrere Höhenschichten gleichzeitig gelöst wird:

Figure 00180001
The optical data for l = 1, ..., N L different height layers are provided. The optical data may, for example, by means of one or more optical measurements, for. B. Lidar measurements, as described above, have been recorded or measured. Eq. (3) is rewritten to solve the inverse problem not only for one elevation layer but for multiple elevation layers at the same time:
Figure 00180001

Dieser Satz von linearen Gleichungen wird wieder in eine Vektor-Matrix-Beziehung umformuliert, d. h., man schreibt g(l) = A(l)w(l) + ϵ(l), l = 1, ..., NL (17)bzw. (mittels Zusammenfassens der NL Gleichungssysteme aus Gl. (17)) g ~ = Ãw ~ + ϵ ~. (18) This set of linear equations is re-formulated into a vector-matrix relationship, ie, one writes G (L) = A (L) w (L) + ε (L) , l = 1, ..., N L (17) or (by combining the N L equation systems from Eq. (17)) g ~ = ω ~ + ε ~. (18)

Die Matrix à und die Vektoren w ~, g ~ und ϵ ~ in Gl. (18) haben folgende Struktur:

Figure 00180002
Figure 00190001
The matrix à and the vectors w ~, g ~ and ε ~ in Eq. (18) have the following structure:
Figure 00180002
Figure 00190001

Die Dimension der Matrix und Vektoren wird bestimmt durch die Ausdrücke NO, NB und NL. Der Ausdruck NO bezeichnet die Anzahl der optischen Datenpunkte, d. h. die bei den verschiedenen Wellenlängen gemessenen Rückstreu- und Extinktionskoeffizienten. Der Ausdruck NB bezeichnet die Anzahl der Basisfunktionen Bj(r), und der Ausdruck NL bezeichnet die Anzahl der Höhenschichten. Der Satz von linearen Gleichungen in Gl. (18) wird simultan gelöst, und man erhält, analog zu den Schritten, die von Gl. (5) auf die regularisierte Gleichung (14) führten, aus Gl. (18) die regularisierte Lösung: w ~ = (ÃTÃ + γH ~)–1ÃTg ~. (23) The dimension of the matrix and vectors is determined by the expressions N O , N B and N L. The term N O denotes the number of optical data points, ie the backscatter and extinction coefficients measured at the different wavelengths. The term N B denotes the number of basis functions B j (r), and the term N L denotes the number of height layers. The set of linear equations in Eq. (18) is solved simultaneously, and analogous to the steps of Eq. (5) led to the regularized equation (14), from Eq. (18) the regularized solution: w ~ = (Ã T Ã + γH ~) -1 Ã T g ~. (23)

Die Matrix H ~ in Gl. (23) hat die folgende Form:

Figure 00190002
und der Lagrange-Multiplikator γ ist eine NBNL×NBNL-Matrix mit diagonaler Form, d. h.The matrix H ~ in Eq. (23) has the following form:
Figure 00190002
and the Lagrange multiplier γ is an N B N L × N B N L matrix of diagonal shape, ie

Figure 00190003
Figure 00190003

Die Lösungen für den Wichtungsvektor w(l) in den NL Höhenschichten von Gl. (18) sind unabhängig voneinander. Das Lösen dieses Systems von Gleichungen ist ähnlich zu dem Fall der oben beschriebenen klassischen eindimensionalen Regularisierung, jedoch mit einem besonderen Unterschied: In dieser umformulierten Form der Inversion muss die Wahl des Diskrepanzparameters für jede einzelne Höhenschicht gleichzeitig optimiert werden. Hierbei kann wieder das Prinzip des Diskrepanzparameters entsprechend Gl. (15) verwendet werden. Dieser Schritt ist wichtig, auch im Rahmen der nachfolgend beschriebenen zweidimensionalen Regularisierung, da dieser Optimierungsansatz zur Wahl des Diskrepanzparameters letztlich die Korrelation von optischen bzw. physikalischen Partikeleigenschaften in aufeinander folgenden Höhenschichten nutzt.The solutions for the weighting vector w (l) in the N L height layers of Eq. (18) are independent of each other. Solving this system of equations is similar to the case of the classic one-dimensional regularization described above, but with one particular difference: in this reformulated form of inversion, the choice of the discrepancy parameter for each individual layer of height must be optimized simultaneously. In this case, the principle of the discrepancy parameter according to Eq. (15) can be used. This step is important, also in the context of the two-dimensional regularization described below, since this optimization approach for selecting the discrepancy parameter ultimately uses the correlation of optical or physical particle properties in successive height layers.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem ein optimales Profil des Diskrepanzparameters ermittelt werden kann. Das Bestimmen dieses optimalen Diskrepanzparameterprofils gemäß einem Ausführungsbeispiel wird weiter unten beschrieben. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass aus der Wahl des Diskrepanzparameters letztlich das Profil des Lagrange-Multiplikators folgt. Mit anderen Worten folgt aus dem optimalen Profil des Diskrepanzparameters auch das optimale Profil des Lagrange-Multiplikators. Noch anders ausgedrückt ergibt sich das Profil des Lagrange-Multiplikators implizit aus dem Profil des Diskrepanzparameters. Deswegen wird nachfolgend bei der Beschreibung der Bestimmung des Diskrepanzparameterprofiles auf eine explizite Trennung zum Begriff Lagrange-Multiplikator verzichtet.According to one Embodiment of the invention, a method is provided with An optimum profile of the discrepancy parameter can be determined can. Determining this optimal discrepancy parameter profile according to one embodiment will be described below. In this context, it should be noted that from the choice of the discrepancy parameter ultimately the profile of the Lagrange multiplier follows. In other words follows the optimum profile of the discrepancy parameter is also the optimal one Profile of the Lagrange Multiplier. In other words the profile of the Lagrange multiplier is implicit the profile of the discrepancy parameter. Therefore, below the description of the determination of the discrepancy parameter profile renounced an explicit separation to the term Lagrange multiplier.

Zweidimensionale RegularisierungTwo-dimensional regularization

Im Rahmen der Inversion mit zweidimensionaler Regularisierung wird eine Glattheitsbedingung entlang der z-Richtung mittels einer weiteren Matrix K eingeführt. Auf diese Weise werden aufeinanderfolgende Höhenschichten miteinander verknüpft. Dies stellt eine physikalisch sinnvolle Randbedingung dar, da sich die Partikeleigenschaften innerhalb einer Partikelschicht nur allmählich mit der Höhe innerhalb dieser Partikelschicht verändern. Starke Änderungen der Partikeleigenschaften können jedoch an der Grenze zwischen zwei Schichten, welche aus unterschiedlichen Partikel-Typen bestehen, auftreten.in the Frame of inversion with two-dimensional regularization becomes a smoothness condition along the z-direction by means of another Matrix K introduced. In this way successive height layers are linked together. This represents a physically meaningful boundary condition, since the particle properties within a particle layer only gradually with the height inside change this particle layer. Strong changes the particle properties can However, at the border between two layers, which are different Particle types exist, occur.

Die Partikeleigenschaften entlang der z-Richtung werden durch die folgenden Funktionen beschrieben:

Figure 00200001
The particle properties along the z-direction are described by the following functions ben:
Figure 00200001

Die Integration von Gl. (16) über z ϵ [zmin, zmax] führt auf die zweidimensionale Fredholm-Integralgleichung der ersten Art:

Figure 00200002
The integration of Eq. (16) over z ε [z min , z max ] leads to the two-dimensional Fredholm integral equation of the first kind:
Figure 00200002

Substitution der untersuchten Partikelgrößenverteilung υ(r) durch Gl. (4) resultiert in

Figure 00200003
Substitution of the investigated particle size distribution υ (r) by Eq. (4) results in
Figure 00200003

Hierbei gilt folgende Bedingung:

Figure 00210001
The following condition applies here:
Figure 00210001

Die Summe in Gl. (27) kann aufgespaltet werden, indem man den Parameter ϕj verwendet, mit

Figure 00210002
so dass man folgenden Ausdruck erhält:
Figure 00210003
The sum in Eq. (27) can be split by using the parameter φ j with
Figure 00210002
so that one receives the following expression:
Figure 00210003

Gl. (29) beschreibt einen Satz von Fredholm-Integralgleichungen der ersten Art, nun aber entlang der z-Richtung in Analogie zum Satz der Gln. (16).Eq. (29) describes a set of Fredholm integral equations of first type, but now along the z-direction in analogy to the sentence the Gln. (16).

Durch Umformulieren von Gl. (29) erhält man:

Figure 00210004
Hierbei wurde zunächst das Integral in Gl. (29) als Summe geschrieben mit insgesamt NL Summanden der Form Apj(m(zl))·wj(zl)·Δz, wobei l = 1, ..., NL und
Figure 00210005
Figure 00210006
und anschließend wurde die Gleichung durch Δz geteilt und das Gleichungssystem in Matrix-Form geschrieben. Dabei beschreibt Δz die geometrische Dicke jeder einzelnen Höhenschicht. In diesem beschriebenen Verfahren wird der Einfachheit halber angenommen, dass die geometrische Dicke jeder Höhenschicht gleich ist, d. h. man schreibt Δzj = Δz. Prinzipiell ist das Verfahren aber nicht von der Wahl einer einheitlichen Schichtdicke abhängig.By reformulating Eq. (29) you get:
Figure 00210004
Here, the integral in Eq. (29) is written as a sum with a total of N L summands of the form A pj (m (z l )) · w j (z l ) · Δz, where l = 1, ..., N L and
Figure 00210005
Figure 00210006
and then the equation was divided by Δz and the equation system written in matrix form. Δz describes the geometric thickness of each layer of elevation. In this described method, for the sake of simplicity, it is assumed that the geometric thickness of each height layer is the same, ie, Δz j = Δz. In principle, however, the method does not depend on the choice of a uniform layer thickness.

Die Vektoren g - und ϵ - in Gl. (30) sind gegeben durch

Figure 00210007
The vectors g - and ε - in Eq. (30) are given by
Figure 00210007

Die Aj sind NO×NL-Matrizen mit den Einträgen Apj(m(zl)), und die wj sind NL × 1- Vektoren mit den Einträgen wj(zl), wobei

Figure 00220001
und p = 1, ..., l = 1, ..., NL.The A j are N O × N L matrices with the entries A pj (m (z l )), and the w j are N L × 1 vectors with the entries w j (z l ), where
Figure 00220001
and p = 1, ..., l = 1, ..., N L.

Durch Zusammenfassen der NB Gleichungen aus Gl. (30) zu einer Matrix-Vektor-Gleichung erhält man schließlich: G - = A -w - + E -, (33)mit den Vektoren

Figure 00220002
wobei
Figure 00220003
Das erweiterte System von Lineargleichungen (Gl. (33)) lässt sich wieder mit Inversion durch Regularisierung lösen. Man erhält: w - = (A -TA - + κH -)–1A -TG -. (38) By summarizing the N B equations from Eq. (30) to a matrix-vector equation we finally obtain: G - = A -w - + E -, (33) with the vectors
Figure 00220002
in which
Figure 00220003
The extended system of linear equations (Eq. (33)) can be solved again with inversion by regularization. You get: w - = (A - T A - + κH -) -1 A - T G -. (38)

Die Matrix H - und der Vektor w - in Gl. (38) haben die folgende Struktur:

Figure 00220004
The matrix H - and the vector w - in Eq. (38) have the following structure:
Figure 00220004

Die Vektoren wj beschreiben den j-ten Wichtungskoeffizienten in der Approximation, die durch Gl. (4) in Richtung z gegeben ist.The vectors w j describe the j-th weighting coefficient in the approximation, which is given by Eq. (4) is given in the direction z.

Der Vektor w - unterscheidet sich von dem Vektor w ~ aus Gl. (23) lediglich durch die Reihenfolge der entsprechenden Elemente (bzw. Zeilen). Das Umordnen der selben Zeilen der Matrix H, welche durch Gl. (39) gegeben ist, derart, dass Vektor w - → w ~, ermöglicht die Konstruktion der Matrix K, welche für Gl. (23) passend ist.The vector w - differs from the vector w ~ from Eq. (23) only by the order of the corresponding elements (or lines). The rearrangement of the same rows of the matrix H, which is given by Eq. (39) given such that vector w - → w ~, allows the construction of the matrix K, which for Eq. (23) is appropriate.

Das Umordnen der Elemente wird nachfolgend beschrieben. Der Ausdruck x - bezeichne die gegebenen Matrizen und Vektoren, i. e., A -, H -, und w -, und der Ausdruck x bezeichne die umgeordnete Form dieser Matrizen/Vektoren. Ferner bezeichne τ - die Zeilen von x - und τ bezeichne die Zeilen von x.The Rearranging the elements will be described below. The expression x - denote the given matrices and vectors, i. e., A -, H -, and w -, and the expression x denote the rearranged form of these matrices / vectors. Further denote τ - the lines of x - and τ denote the lines of x.

Das Umordnen der Elemente von A - und w - wird durchgeführt unter Verwendung der folgenden Formeln: τ = (l – 1)NB + j, j = 1, 2, ..., NB, l = 1, 2, ..., NL, (41) τ - = (j – 1)NL + l, j = 1, 2, ..., NB, l = 1, 2, ..., NL. (42) The rearrangement of the elements of A and W is performed using the following formulas: τ = (1-1) N B + j, j = 1, 2, ..., N B , l = 1, 2, ..., N L , (41) τ - = (j - 1) N L + 1, j = 1, 2, ..., N B , l = 1, 2, ..., N L , (42)

Zu diesem Zweck werden die Eelier-Gleichungen (siehe hierzu z. B. [15]) für die durch die Gleichungen (18) und (33) beschriebenen Tikhonov-Funktionale betrachtet: ÃTÃw ~ + γH ~w ~ – ÃTg ~ = 0, (43) ATAw ~ + κKw ~ – ATG ~ = 0. (44) For this purpose, the Eelier equations (see, for example, [15]) for the Tikhonov functions described by equations (18) and (33) are considered: Ã T Ãw ~ + γH ~ w ~ - Ã T g ~ = 0, (43) A T Aw ~ + κKw ~ - A T G ~ = 0. (44)

Die Matrix A und der Vektor w - ergeben sich aus der Umordnung von A - und w - gemäß Gl. (41) und Gl. (42). Die beiden Eelier-Gleichungen können summiert werden zu folgender Gleichung: TÃ + ATA)w ~ + (γH ~ + κK)w ~ = ÃTg ~ + ATG ~. (45) The matrix A and the vector w - result from the rearrangement of A - and w - according to Eq. (41) and Eq. (42). The two Eelier equations can be summed to the following equation: T Ã + A T A) w ~ + (γH ~ + κK) w ~ = Ã T g ~ + A T G ~. (45)

Durch Umformung erhält man den Ausdruck w ~ = (ÃTÃ + ATA + γH ~ + κK)–1Tg ~ + ATG ~). (46) Forming gives the expression w ~ = (Ã T Ã + A T A + γH ~ + κK) -1 T g ~ + A T G ~). (46)

Sofern keine zusätzliche Information vorliegt, zum Beispiel über die Faktoren ϕ -1, ...,

Figure 00230001
folgt die Lösung der zweidimensionalen Regularisierung aus Gl. (46) in der folgenden Weise: w ~ = (ÃTÃ + γH ~ + κK)–1ÃTg ~ (47) If there is no additional information, for example about the factors φ - 1 , ...,
Figure 00230001
follows the solution of the two-dimensional regularization from Eq. (46) in the following way: w ~ = (Ã T Ã + γH ~ + κK) -1 Ã T g ~ (47)

Der Parameter γ (Lagrange-Multiplikator) beschreibt die Stärke der Glättung entlang der Gitterpunkte der gesuchten Partikelgrößenverteilung (vgl. hierzu [1], [3]). Der Wert des Lagrange-Multiplikators kann optimiert werden, wobei die Funktionalität des oben beschriebenen Inversionsverfahrens grundsätzlich nicht auf eine explizite Wahl der Methode zum Auffinden des optimalen Wertes für den Lagrange-Multiplikator beschränkt ist.Of the Parameter γ (Lagrange multiplier) describes the strength the smoothing along the grid points of the sought particle size distribution (see [1], [3]). The value of the Lagrange multiplier can be optimized, the functionality of the inversion process described above in principle not on an explicit choice of method for finding the optimal one Value for the Lagrange multiplier is limited.

Der Parameter κ beschreibt die Stärke der Glättung entlang der Höhenschichten. Es ist anzumerken, dass sich der Wert von γ ändern kann, wenn der zusätzliche Regularisierungsparameter κ verwendet wird.Of the Parameter κ describes the strenght the smoothing along the height layers. It should be noted that the value of γ may change if the additional Regularization parameter κ used becomes.

Die Definition des Regularisierungsparameters κ kann beispielsweise mittels des nachfolgenden Kriteriums erfolgen:

Figure 00240001
The definition of the regularization parameter κ can be done, for example, by means of the following criterion:
Figure 00240001

Dazu werden zunächst die Folge κ1, κ2, ..., κmax und die Folge γ1, γ2, ..., γmax definiert. Diese Folgen sind zum Beispiel geometrische Folgen (d. h. κi+1i = q) mit einem geometrischen Verhältnis q > 1. Große Werte für κmax und γmax führen zu einer zu starken Glättung der untersuchten Partikelgrößenverteilung. Die Terme κ1 und γ1 haben einen Wert nahe bei Null.For this purpose, first the sequence κ 1 , κ 2 , ..., κ max and the sequence γ 1 , γ 2 ,..., Γ max are defined. These sequences are, for example, geometric sequences (ie κ i + 1 / κ i = q) with a geometric ratio q> 1. Large values for κ max and γ max lead to an excessive smoothing of the investigated particle size distribution. The terms κ 1 and γ 1 have a value close to zero.

Gl. (47) wird mittels des modifizierten Diskrepanz-Prinzips für jeden einzelnen Wert κ1, κ2, ..., κmax gelöst. Damit wird eine neue Folge S(κ1), S(κ2), ..., S(κmax) berechnet, wobei die einzelnen Folgenglieder S(κi) definiert sind als:

Figure 00240002
Eq. (47) is solved by means of the modified discrepancy principle for each individual value κ 1 , κ 2 , ..., κ max . Thus, a new sequence S (κ 1 ), S (κ 2 ), ..., S (κ max ) is calculated, the individual sequence terms S (κ i ) being defined as:
Figure 00240002

Als optimaler Wert κopt des Regularisierungsparameters wird der Wert angenommen, welcher zu dem Minimum der Folge S(κ1), S(κ2), ..., S(κmax) korrespondiert. Mit anderen Worten gilt S(κopt) ≤ S(κi).The optimum value κ opt of the regularization parameter is assumed to be the value which corresponds to the minimum of the sequence S (κ 1 ), S (κ 2 ), ..., S (κ max ). In other words, S (κ opt ) ≦ S (κ i ).

Falls zum Beispiel drei Höhenschichten (NL = 3) gewählt werden, sowie fünf Basis-Funktionen (NB = 5) zum Rekonstruieren der untersuchten Partikelgrößenverteilung, und falls die Identitätsmatrix angenommen wird (Kj = E, j = 1, ... NB), so erhält man für die Glättungsmatrix H -:

Figure 00250001
For example, if three elevation layers (N L = 3) are chosen, and five basis functions (N B = 5) to reconstruct the particle size distribution being examined, and if the identity matrix is assumed (K j = E, j = 1, ... N B ), we obtain H - for the smoothing matrix:
Figure 00250001

Hierbei ist anzumerken, dass die Matrix Kj mit den Wichtungsfaktoren wj arbeitet. Jeder Wichtungsfaktor wj ist für alle Höhenschichten 1, 2, ..., NL zu bestimmen (aus diesem Grund weisen die Wichtungsfaktoren den zweiten Index l auf, d. h. w (l) / j). Es gibt NB Wichtungsfaktoren (w1, w2, ...,

Figure 00250002
), und jeder dieser Faktoren hat seine Wichtungsmatrix K1, K2, ...,
Figure 00250003
in der z-Richtung (Höhenachse). Die Matrix Kj = E hat die Dimension NL × NL, da die Anzahl der Höhenschichten entlang der z-Achse gleich NL ist. Die Anzahl der Matrizen Kj = E ist gleich NB, da die Anzahl der Wichtungsfaktoren (oder Gitterpunkte (grid bins)) gleich NB ist.It should be noted that the matrix K j uses the weighting factors w j. Each weighting factor w j must be determined for all height layers 1, 2, ..., N L (for this reason, the weighting factors have the second index 1, ie w (l) / j). There are N B weighting factors (w 1 , w 2 ,.
Figure 00250002
), and each of these factors has its weighting matrix K 1 , K 2 ,.
Figure 00250003
in the z-direction (altitude axis). The matrix K j = E has the dimension N L × N L , since the number of height layers along the z-axis is equal to N L. The number of matrices K j = E is equal to N B because the number of weighting factors (or gridbins) is equal to N B.

Das Umordnen der Elemente der Matrix H - aus Gl. (50) in der in Gl. (41) und Gl. (42) beschriebenen Weise ergibt die Matrix K0 für die Glättung nullter Ordnung:

Figure 00260001
The rearrangement of the elements of the matrix H - from Eq. (50) in the equation given in Eq. (41) and Eq. (42), the matrix K 0 for zero-order smoothing gives:
Figure 00260001

Für den Fall einer Glättung zweiter Ordnung wird die Matrix H - geschrieben als:

Figure 00260002
In the case of second-order smoothing, the matrix H is written as:
Figure 00260002

Die Elemente dieser Matrix können wiederum umgeordnet werden, und man erhält die endgültige Form der Glättungsmatrix K2 für die Glättung zweiter Ordnung:

Figure 00270001
The elements of this matrix can in turn be rearranged, and the final shape of the smoothing matrix K 2 for the second order smoothing is obtained:
Figure 00270001

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der prinzipielle Ablauf der Dateninversion mit umformulierter eindimensionaler Regularisierung oder mit zweidimensionaler Regularisierung in ähnlicher Weise erfolgen, wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben, wobei der in 3 gezeigte Regularisierungsschritt 301 die umformulierte eindimensionale Regularisierung bzw. die zweidimensionale Regularisierung darstellt. Ferner wird der Zeitaufwand in den in 3 gezeigten Datennachanalyse-Schritten 302a, 302b grundsätzlich erheblich reduziert, bzw. kann vollständig entfallen (in Abhängigkeit vom vorgegeben, zu analysierenden Datensatz).According to one embodiment of the invention, the basic procedure of data inversion with reformulated one-dimensional regularization or with two-dimensional regularization can be carried out in a similar manner as in connection with FIG 3 described in which 3 shown regularization step 301 represents the reformulated one-dimensional regularization or the two-dimensional regularization. Furthermore, the time spent in the in 3 shown data post-analysis steps 302a . 302b in principle significantly reduced, or can be completely eliminated (depending on the given, to be analyzed data set).

Im Vergleich mit dem klassischen Ansatz (d. h., der klassischen eindimensionalen Regularisierung) entfällt bei dem modifizierten Ansatz (d. h., der zweidimensionalen Regularisierung) ein Nachteil des klassischen Regularisierungsverfahrens, nämlich die Notwendigkeit, zu entscheiden, was ein quasi-konstanter Datensatz ist. Dadurch lässt sich ein subjektiver Faktor in der Datenauswertung vermeiden, nämlich die Entscheidung der datenauswertenden Person. Zudem wirken sich in dem modifizierten Verfahren Schwankungen in den optischen Daten in aufeinanderfolgenden Höhenschichten geringer auf die Stabilität des Inversionsverfahrens aus. In letzter Konsequenz ist das Verfahren mit zweidimensionaler Regularisierung auf keine bestimmte Messauflösung der Lidargeräte beschränkt.in the Comparison with the classical approach (that is, the classical one-dimensional Regularization) is dropped in the modified approach (i.e., two-dimensional regularization) a disadvantage of the classical regularization method, namely the Need to decide what a quasi-constant record is. By doing so leaves avoid a subjective factor in the data analysis, namely the Decision of the data-evaluating person. In addition, affect in in the modified method, fluctuations in the optical data in successive height layers lower on the stability of the inversion process. In the last consequence is the procedure with two - dimensional regularization to no particular measurement resolution of lidar limited.

Die Subjektivität in der Auswertemethodik im klassischen Verfahren mit eindimensionaler Regularisierung liegt in dem Erfahrungsschatz bzw. dem Mangel an Erfahrung begründet, die eine Person in die Datenauswertung einbringen muss. So muss die datenauswertende Person umfangreiche Kentnisse auf dem Gebiet der Partikeleigenschaften und Kenntnisse in der Auswirkung von meteorologischen Gegebenheiten (z. B. Umgebungsfeuchte) auf Partikeleigenschaften besitzen. Zudem muss ein tiefer Einblick in die Gerätetechnik vorhanden sein. Dadurch lassen sich in der Datenauswertung mathematische Lösungen von physikalischen Lösungen trennen. Ein derartiger Kenntnisstand ist aber vielfach nicht gegeben.The subjectivity in the evaluation methodology in the classical method with one-dimensional Regularization lies in the wealth of experience or lack Experience justified, which a person must contribute to the data analysis. So must the data-evaluating person has extensive knowledge in the field of Particle properties and knowledge of the impact of meteorological Conditions (eg ambient humidity) on particle properties have. In addition, a deeper insight into the device technology to be available. This allows mathematical evaluation in the data evaluation solutions of physical solutions separate. However, such a level of knowledge is often not given.

Ein Vorteil des Verfahrens mit zweidimensionaler Regularisierung ist die erhöhte Stabilisierung des Lösungsverfahrens. Im Verfahren der klassischen eindimensionalen die Regularisierung erfolgt die Stabilisierung durch umfangreiche Nachbearbeitung des mathematischen Lösungsraums im Rahmen von Sensitivitätsstudien und Konsistenztests.One Advantage of the method with two-dimensional regularization is the increased Stabilization of the solution process. In the process of classical one-dimensional regularization the stabilization takes place by extensive reworking of the mathematical solution space in the context of sensitivity studies and consistency tests.

Als Beispiele für Konsistenztests und Nachbearbeitungsverfahren in der klassischen eindimensionalen Regularisierung seien folgende Punkte erwähnt. Zur Einschränkung des Lösungsraums werden bei der klassischen eindimensionalen Regularisierung Parameter untersucht, welche mit dem Inversionsverfahren im Rahmen der Dateninversion erzeugt werden. Diese Parameter sind der aus der Inversion folgende Diskrepanzwert (siehe z. B. [12]). Ferner werden die Lösungen der Größenverteilungen an deren unterer und oberer Partikelradiusgrenze untersucht. Ferner werden der spektrale Verlauf des Ångströmexponenten und die Lidarverhältnisse erfasst. Ferner sollte gewährleistet werden, dass die aus den gefundenen Lösungen (Partikelgrößenverteilung und komplexer Brechungsindex) zurückgerechneten optischen Daten mit den optischen Eingangsdaten im Rahmen der vorgegebenen Messfehler übereinstimmen.As examples of consistency tests and postprocessing methods in classical one-dimensional regularization, the following points are mentioned. To limit the solution space, the classical one-dimensional regularization is used to examine parameters which are generated by the inversion method during the data inversion. These parameters are the discrepancy value following the inversion (see eg [12]). Furthermore, the solutions of size distributions at their lower and upper particle radius limits are investigated. Furthermore, the spectral profile of the Ångströmexponenten and Lidarverhältnisse are detected. Furthermore, it should be ensured that the solutions obtained from the solutions found (particle size ßenverteilung and complex refractive index) recalculated optical data with the optical input data within the given measurement errors match.

Im Rahmen der Datennachanalyse erfolgt somit ein strikter Konsistenztest. Es wird (sinnvollerweise) vorausgesetzt, dass sich mikrophysikalische Partikeleigenschaften nicht signifikant ändern können, sofern die optischen Daten (Ångström-Exponent und Lidarverhältnis) in übereinanderliegenden Höhenschichten sich ebenfalls nur insignifikant ändern. Man geht demnach von der Annahme aus, dass das zugrundeliegende mathematische Verfahren eine Linearisierung des Lösungsraums ermöglicht. Tatsache ist jedoch, dass sich schlecht gestellte inverse Probleme hochgradig nichtlinear verhalten. Das heißt, es gilt in der Regel im ge fundenen mathematischen Lösungsraum, dass eine Variation der optischen Parameter nicht über eine lineare Beziehung mit der Änderung der mikrophysikalischen Parameter verknüpft ist.in the As part of the data analysis, a strict consistency test is performed. It is (usefully) assumed that microphysical Particle properties can not change significantly, provided the optical Data (Ångström exponent and lidar ratio) in superimposed elevation levels also change only insignificantly. It is therefore from assuming that the underlying mathematical process a linearization of the solution space allows. The fact is, however, that badly posed inverse problems highly nonlinear behavior. That means it usually applies in the found mathematical solution space, that a variation of the optical parameters does not have a linear relationship with the change the microphysical parameter is linked.

Somit ergibt sich folgendes Szenario: Wenn der Konsistenztest negativ ausfällt, wird ein neuer Satz an Suchparametern gewählt, um den Lösungsraum einzuschränken. Anschließend wird erneut geprüft, ob mit denselben Parametern in allen Höhenschichten eine Konsistenz in den erhaltenen mikrophysikalischen Eigenschaften erreicht wird. Diese Prozedur wird solange durchgeführt, bis Konsistenz in allen untersuchten Höhenschichten erreicht wird. Diese Art der Datennachbearbeitung ist in der Regel sehr zeitaufwändig.Consequently the following scenario emerges: If the consistency test is negative fails, a new set of search parameters is chosen to the solution space limit. Subsequently will be rechecked whether with the same parameters in all height layers a consistency achieved in the obtained microphysical properties. This procedure is performed until consistency in all examined height layers is reached. This type of data post is usually very time consuming.

Demgegenüber wird bei dem Verfahren mit zweidimensionaler Regularisierung ein optimaler mittlerer Suchparameterraum ermittelt, mit dem dann die mittlere Lösung gefunden werden kann. Ein Vorteil davon ist, dass der Benutzer eine wesentlich eingeschränkte Möglichkeit der Datennachbearbeitung hat. Das heißt, die Anzahl der Freiheitsgrade bezüglich der auszuwählenden Parameter ist durch den zugrunde liegenden mathematischen Formalismus stark beschränkt, wodurch die eingangs erwähnte Subjektivität in der Datenauswertung in erheblichem Maß verringert wird.In contrast, will in the method with two-dimensional regularization an optimal average search parameter space, with which the mean solution can be found. An advantage of this is that the user has one substantially limited possibility has data postprocessing. That is, the number of degrees of freedom in terms of the one to select Parameter is due to the underlying mathematical formalism severely limited, whereby the initially mentioned subjectivity is significantly reduced in the data evaluation.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens mit zweidimensionaler Regularisierung besteht in der schnelleren Datenauswertezeit. Damit besteht die Möglichkeit, eine operationelle Version des Algorithmus mit zweidimensionaler Regularisierung einzusetzen. Ein derartiges operationelles Vorgehen ist im Fall der klassischen eindimensionalen Regularisierung nicht oder nur schwer möglich. Die Robustheit des Verfahrens mit zweidimensionaler Regularisierung gegenüber Messfehlern in den optischen Daten ist ebenfalls erhöht, wodurch ein weiterer Vorteil des Verfahrens gegeben ist.One Another advantage of the method with two-dimensional regularization consists in the faster data evaluation time. This is the Possibility, an operational version of the algorithm with two-dimensional To use regularization. Such an operational approach is not in the case of classical one-dimensional regularization or only with difficulty. The robustness of the method with two-dimensional regularization across from Measurement errors in the optical data is also increased, causing another advantage of the process is given.

Das oben beschriebene Inversionsverfahren mit zweidimensionaler Regularisierung ist grundsätzlich nicht auf Messungen mit Lidargeräten beschränkt, sondern lässt sich allgemein auf die Auswertung von Daten anwenden, die mit Messverfahren bestimmt werden, welche entweder räumliches oder zeitliches Auflösungsvermögen besitzen.The inversion method described above with two-dimensional regularization is not on measurements with lidar devices limited, but lets generally apply to the evaluation of data using measurement methods be determined, which have either spatial or temporal resolution.

Wenn, wie im Fall von Lidarmessungen, sowohl räumliche als auch zeitliche Auflösung gegeben bzw. möglich ist, kann das Verfahren ohne weiteres auf eine mehrdimensionale Regularisierung umgestellt werden. Mit anderen Worten kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung im Falle einer räumlich und zeitlich aufgelösten Messung ein Inversionsverfahren mit einer mehrdimensionalen Regularisierung verwendet werden.If, as in the case of lidar measurements, both spatial and temporal resolution given or possible is, the process can easily be on a multidimensional Regularization be converted. In other words, according to a Embodiment of the invention in the case of a spatially and temporally resolved measurement an inversion method with a multi-dimensional regularization be used.

Die Anwendbarkeit des in dieser Anmeldung beschriebenen Inversionsverfahrens ist grundsätzlich nicht auf eine bestimmte Wahl der Höhenauflösung beschränkt. Die Mittelung von optischen Datenpunkten über Höhenintervalle kann allerdings mit einer verringerten Höhenauflösung der gesuchten mikrophysikalischen Parameter verbunden sein.The Applicability of the inversion method described in this application is not limited to a specific choice of height resolution. The However, averaging of optical data points over height intervals can be with a reduced height resolution of desired microphysical parameters.

Im folgenden wird ein Verfahren beschrieben zum Ermitteln eines Diskrepanzparameterprofils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mittels des Verfahrens kann ein optimales Profil des Diskrepanzparameters bestimmt werden, welches im Rahmen eines Inversionsverfahrens mit Regularisierung, beispielsweise im Rahmen des oben beschriebenen Inversionsverfahrens mit umformulierter eindimensionaler Regularisierung oder mit zweidimensionaler Regularisierung, dazu verwendet werden kann, einen verbesserten Lösungssatz für die zu ermittelnden physikalischen Partikeleigenschaften zu ermitteln.in the The following describes a method for determining a discrepancy parameter profile according to one embodiment the invention. By means of the method can be an optimal profile be determined by the discrepancy parameter, which in the context of a Inversion with regularization, for example in the frame of the above described inversion method with reformulated one-dimensional Regularization or with two-dimensional regularization, in addition can be used, an improved solution set for the physical to be determined To determine particle properties.

Unter dem Ausdruck ”Diskrepanzparameterprofil” ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Berechnung des Ausdrucks in Gl. (15) zu verstehen. Es wird ein optimaler Wert für den Diskrepanzparameter berechnet, welcher in allen Höhenschichten gleichermaßen gültig ist. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Wahl eines gemeinsamen Wertes für den Diskrepanzparameter unterschiedliche Werte für den Lagrange-Multiplikator in den einzelnen Höhenschichten bewirken kann (aber nicht muss, da dies von dem zu untersuchenden Datensatz abhängt).Under the term "discrepancy parameter profile" is according to this embodiment the calculation of the expression in Eq. (15). It will be a optimal value for calculates the discrepancy parameter, which in all elevation layers equally valid is. In this context, it should be noted that the choice of a common value for the discrepancy parameter has different values for the Lagrange multiplier in the individual height layers can (but does not have to, since this is to be examined by the Data record depends).

Die Wahl des Diskrepanzparameterprofils ermöglicht beispielsweise einen Zeitgewinn in der Datenverarbeitung, da nicht für jede Einzelschicht, wie beim klassischen Verfahren, ein separater Diskrepanzparameter bestimmt werden muss. Es können beispielsweise für jede Höhenschicht zu wiederholende Arbeitsschritte vermieden werden. Die Wahl eines Profils beinhaltet die Anwendung der Korrelation der zugrunde liegenden mikrophysikalischen Parameter in aufeinanderfolgenden Höhenschichten, was beispielsweise zur Stabilisierung des Lösungsraums entlang der vertikalen. Dimension beiträgt. Ferner kann damit auch die Stabilisierung des Lösungsraums innerhalb der einzelnen Höhenschichten erreicht werden. Das Profil des Diskrepanzparameters kann ferner weitergehend ausgewertet werden, um beispielsweise auch zu Aussagen über die Güte der gefundenen Lösungen zu gelangen. Aus der Anwendung des Diskrepanzprinzips bei der klassischen eindimensionalen Regularisierung ist bekannt, dass die Werte des Diskrepanzparameters, für die der Lösungsraum akzeptiert wird, ein qualitatives Maß für die Richtigkeit der gefundenen Lösungen darstellt.The For example, choosing the discrepancy parameter profile allows one Time savings in data processing, as not for every single layer, as in the classical method, a separate discrepancy parameter determined must become. It can for example every height layer To be avoided repetitive steps. The choice of a Profiles involves the application of the correlation of the underlying microphysical parameters in successive height layers, for example, to stabilize the solution space along the vertical. Dimension contributes. Furthermore, it can also stabilize the solution space within the individual elevation levels be achieved. The profile of the discrepancy parameter can also be used be further evaluated, for example, to statements about the Goodness of found solutions to get. From the application of the discrepancy principle in classical one-dimensional regularization is known to be the values of the Discrepancy parameters, for the solution space is accepted, a qualitative measure of the accuracy of the found solutions represents.

Im Rahmen des Verfahrens zum Bestimmen des Diskrepanzparameterprofils wird die oben beschriebene modifizierte Diskrepanz δ gemäß Gl. (15) betrachtet.in the Frame of the method for determining the discrepancy parameter profile If the above-described modified discrepancy δ according to Eq. (15) considered.

Der Ausdruck δu bezeichne die geordnete Folge der Diskrepanzparameter, wobei gilt u = 1, 2, ..., umax. Unter ”geordnet” ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Diskrepanzparameter δu der Größe nach sortiert sind. Ferner bezeichne der Ausdruck tu die geordnete Folge der akzeptablen Lösungen, d. h. derjenigen Lösungen, deren Diskrepanzwert δ (nach Gl. (15)) die Bedingung δ ≤ δu erfüllen. Unter ”geordnet” ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Lösungen nach dem Wert ihrer zugehörigen Diskrepanz sortiert sind.The expression δ u denotes the ordered sequence of the discrepancy parameters, where u = 1, 2,..., U max . In this context, "ordered" is to be understood as meaning that the discrepancy parameters δ u are sorted by size. Furthermore, the expression t u denotes the ordered sequence of the acceptable solutions, ie those solutions whose discrepancy value δ (according to equation (15)) satisfies the condition δ ≦ δ u . By "ordered" in this context is meant that the solutions are sorted by the value of their associated discrepancy.

Der Ausdruck δ ~(l)(tu) bezeichne die Diskrepanz der gemittelten Größenverteilungen der tu Lösungen in der Höhenschicht l, wobei l = 1, ..., NL. Die Diskrepanz δ ~(l)(tu) wird berechnet gemäß: δ ~(l)(tu) = ||g(l) – g(l)ave ||. (54) The expression δ ~ (L) (t u ) denote the discrepancy of the average size distributions of the t u solutions in the height layer l, where l = 1, ..., N L. The discrepancy δ ~ (l) (t u ) is calculated according to: δ ~ (L) (t u ) = || g (L) - g (L) ave ||. (54)

Eine ausführliche Erläuterung dieser Art von Diskrepanz ist in [4] gegeben, wobei dort der Ausdruck δ ~(l)(tu) als ρave bezeichnet wird. Der Ausdruck g (l) / ave bezeichnet die optischen Daten, welche aus der gemittelten Partikelgrößenverteilung berechnet werden, wie es an sich beispielsweise in [3] beschrieben ist. Diese gemittelte Lösung wird berechnet aus allen Lösungen der mikrophysikalischen Partikel-Parameter, welche für die entsprechende Höhenschicht l in dem sogenannten Mittelungs-Intervall δu gefunden werden.A detailed explanation of this type of discrepancy is given in [4], where the expression δ ~ (L) (t u ) is called ρ ave . The term g (l) / ave denotes the optical data calculated from the averaged particle size distribution as per se described in [3], for example. This averaged solution is calculated from all the solutions of the particle microphysical parameters found for the corresponding height layer 1 in the so-called averaging interval δ u .

Die Bedeutung des Mittelungs-Intervalls besteht anschaulich darin, dass alle Lösungen, die bis zum optimalen Wert des Diskrepanzwertes gefunden werden, zu diesem Intervall von Lösungen gehören. Diese Lösungen werden dann nachfolgend gemittelt. Mit anderen Worten gehört zu jedem Diskrepanzparameter δu ein Mittelungs-Intervall, und es werden alle Lösungen, deren individuelle Diskrepanzwerte kleiner als der Wert δu sind, gemittelt. Eine weitere Erläuterung der Bedeutung des Mittelungs-Intervalls erfolgt nachfolgend im Zusammenhang mit dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel.The significance of the averaging interval is clear that all solutions found up to the optimal value of the discrepancy value belong to this interval of solutions. These solutions are then averaged subsequently. In other words, an averaging interval belongs to each discrepancy parameter δ u , and all solutions whose individual discrepancy values are smaller than the value δ u are averaged. A further explanation of the meaning of the averaging interval is given below in connection with the in 7 shown embodiment.

Die Berechnung der optischen Eigenschaften erfolgt unter Verwendung eines Mie-Streu-Algorithmus, wie es an sich beispielsweise in [6] beschrieben ist. Das Mittelungs-Intervall enthält alle Lösungen (gemäß Gl. (23)) in Abhängigkeit von dem Lagrange-Multiplikator γ, welcher innerhalb eines vorgegebenen Zahlenbereichs von 0 bis γmax variiert wird. Dieses Mittelungs-Intervall folgt aus der Wahl des optimalen Wertes des Diskrepanzparameters, d. h., δu = δopt.The calculation of the optical properties is carried out using a Mie-scattering algorithm, as per se, for example, described in [6]. The averaging interval contains all solutions (according to equation (23)) as a function of the Lagrange multiplier γ, which is varied within a predetermined number range from 0 to γ max . This averaging interval follows from the choice of the optimal value of the discrepancy parameter, ie, δ u = δ opt .

Im Fall der Inversion mit klassischer eindimensionaler Regularisierung muss δopt für jede einzelne Höhenschicht l geschätzt werden. Diese Bestimmung von δopt ist sehr zeitaufwändig, falls die Zahl NL der Höhenschichten groß ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass dieser optimale Wert δopt des Mittelungs-Intervalls einzeln und unabhängig von den δopt in allen anderen Höhenschichten geschätzt werden muss.In the case of inversion with classical one-dimensional regularization, δ opt must be estimated for each individual height layer l. This determination of δ opt is very time consuming if the number N L of the height layers is large. A further disadvantage is that this optimum value δ opt of the averaging interval has to be estimated individually and independently of the δ opt in all other height layers.

Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren erfolgt die Bestimmung des optimalen Werts von δu wie folgt.According to the method described here, the determination of the optimum value of δ u is as follows.

Der Ausdruck tu bezeichnet die geordnete Folge der akzeptablen Lösungen, d. h. derjenigen Lösungen, die in der Mittelungsprozedur für die Bestimmung des endgültigen Lösungsraumes verwendet werden (siehe oben). Der Ausdruck δ ~(l)(tu) bezeichnet die Diskrepanz, welche die gemittelte Größenverteilung aus den tu Einzellösungen in der Schicht l mit l = 1, ..., NL beschreibt. Ferner sei δ ~(tot)(tu) die Diskrepanz, welche die gemittelte Größenverteilung aus den tu . Lösungen entsprechend dem gesamten Profil beschreibt.The term t u denotes the ordered sequence of acceptable solutions, ie those solutions used in the averaging procedure for the determination of the final solution space (see above). The expression δ ~ (L) (t u ) denotes the discrepancy which describes the average size distribution from the t u individual solutions in the layer 1 with l = 1,..., N L. Furthermore, let δ ~ (dead) (t u ) the discrepancy, which the average size distribution from the t u . Describes solutions according to the entire profile.

Die Diskrepanz δ ~(tot)(tu) kann geschätzt werden aus dem Ausdruck:

Figure 00320001
The discrepancy δ ~ (dead) (t u ) can be estimated from the expression:
Figure 00320001

Gemäß dem hier beschriebenen Verfahren wird die Sequenz δ ~(tot)(tu) erzeugt in Abhängigkeit von der Anzahl der gemittelten Lösungen, d. h., t1, t2, ...,

Figure 00320002
Jede Zahl tu ist definiert durch die Bedingung δ(l)(t) ≤ δu l = 1, ..., NL, t = 1, 2, ... tu, (56)und δ(l)(t = tu + 1) > δu, bei einem bestimmten l = 1, ..., NL.According to the method described here, the sequence δ ~ (tot) (t u ) is generated as a function of the number of averaged solutions, ie, t 1 , t 2 ,.
Figure 00320002
Every number u is defined by the condition δ (L) (t) ≤ δ u l = 1, ..., N L , t = 1, 2, ... t u , (56) and δ (l) (t = t u + 1)> δ u , for a given l = 1, ..., N L.

Betrachtet man alle umax Lösungen, so lässt sich die Funktion δ ~(tot)u) graphisch darstellen als Sequenz δ ~(tot)(t1), δ ~(tot)(t2), ...

Figure 00320003
da jeder Wert tu mit dem vorab definierten Diskrepanzparameter δu übereinstimmt.Considering all u max solutions, the function δ ~ (tot)u ) can be represented graphically as a sequence δ ~ (dead) (t 1 ), δ ~ (dead) (t 2 ) ...
Figure 00320003
since each value t u coincides with the predefined discrepancy parameter δ u .

Ein Vorteil der Funktion δ ~(tot)u) besteht darin, dass sie den Satz von mittleren Lösungen des untersuchten Profils in Abhängigkeit von dem Diskrepanzparameter beschreibt. Durch Analyse der Funktion δ ~(tot)u) findet man gleichzeitig den optimalen Lösungssatz für alle Schichten.An advantage of the function δ ~ (dead) u ) is that it describes the set of mean solutions of the examined profile depending on the discrepancy parameter. By analysis of the function δ ~ (dead) u ) At the same time you will find the optimal solution set for all layers.

Im allgemeinen werden Ergebnisse gesucht, die innerhalb des Bereichs des Diskrepanzparameters δopt liegen, wo zum einen die Funktion δ ~(tot)u) stabil ist und ferner ein späteres Ansteigen des Diskrepanzparameters keine starke Änderung der untersuchten mikrophysikalischen Parameter zur Folge hat. Das heißt, die Werte der interessierenden Parameter bleiben weitgehend unveränderlich.In general, results are searched that are within the range of the discrepancy parameter δ opt , where, on the one hand, the function δ ~ (dead) u ) is stable and furthermore a later increase of the discrepancy parameter does not result in a strong change of the examined microphysical parameters. That is, the values of the parameters of interest remain largely invariable.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the figures and will be described below explained in more detail.

In den Figuren zeigen:In show the figures:

1 einen schematischen Aufbau einer Lidar-Messanordnung; 1 a schematic structure of a lidar measuring arrangement;

2 Ergebnisse einer Messung von optischen Partikeleigenschaften bei mehreren Wellenlängen; 2 Results of Measurement of Particle Optical Properties at Multiple Wavelengths;

3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des prinzipiellen Ablaufs eines Dateninversionsverfahrens; 3 a flowchart for illustrating the basic procedure of a data inversion method;

4 synthetisch erzeugte Vertikalprofile von optischen Partikeleigenschaften, welche verwendet werden in einem Verfahren zum Ermitteln von physikalischen Partikeleigenschaften gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 4 synthetically generated vertical profiles of optical particle properties used in a method of determining physical particle properties according to an embodiment of the invention;

5 mit einem statistischen Fehler verrauschte Vertikalprofile, welche aus den in 4 gezeigten Profilen gewonnen wurden; 5 with a statistical error noisy vertical profiles, which consist of the in 4 obtained profiles were obtained;

6 Vertikalprofile von mikrohysikalischen Partikeleigenschaften, welche ermittelt wurden mittels eines Verfahrens zum Ermitteln von physikalischen Partikeleigenschaften gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 6 Vertical profiles of micro-particle physical properties, which were determined by means of a method for determining physical particle properties according to an embodiment of the invention;

7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ermittlung eines Diskrepanzparameterprofils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 7 a diagram illustrating the determination of a discrepancy parameter profile according to an embodiment of the invention.

Im folgenden wird unter Bezug auf 4 bis 6 ein Verfahren beschrieben zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß der beschriebenen Ausgestaltung wird in dem Verfahren ein Inversionsverfahren mit umformulierter eindimensionaler Regularisierung bzw. zweidimensionaler Regularisierung, wie oben beschrieben, verwendet, wobei ein synthetisch erzeugter optischer Datensatz als Ausgangsdatensatz für die Dateninversion dient. Mit anderen Worten werden synthetisch erzeugte Daten für optische Parameter als Eingangsgrößen für das Inversionsverfahren bereitgestellt. Auf diese Weise wird eine Bestimmung der Funktionstüchtigkeit des verwendeten Algorithmus ermöglicht, da in diesem Fall die Lösungen bekannt sind und somit für einen Test der Lösung der gestellten Aufgabe herangezogen werden können. Das hier beschriebene Verfahren ist selbstverständlich nicht auf die Verwendung synthetisch generierter Daten beschränkt, sondern lässt sich in gleicher Weise auf experimentell (z. B. mittels einer oder mehrerer Lidar-Messungen) erfasste bzw. gemessene Datensätze anwenden.The following is with reference to 4 to 6 a method for determining physical properties of atmospheric particles according to an embodiment of the invention. According to the described embodiment, an inversion method with reformulated one-dimensional regularization or two-dimensional regularization, as described above, is used in the method, wherein a synthetically generated optical data set serves as the output data record for the data inversion. In other words, synthetically generated optical parameter data is provided as input to the inversion process. In this way, a determination of the functionality of the algorithm used is made possible, since in this case the solutions are known and thus can be used for a test of the solution of the task. The method described here is self-evident is not limited to the use of synthetically generated data, but can be applied equally to data sets acquired or measured experimentally (eg, by one or more lidar measurements).

4 zeigt den synthetischen Ausgangsdatensatz, welcher im Inversionsalgorithmus verarbeitet wird. 4 shows the synthetic output data set, which is processed in the inversion algorithm.

Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine sogenannte Zweischichtstruktur verwendet, mit anderen Worten eine Struktur mit zwei übereinander angeordneten Partikelschichten. Derartige Strukturen werden typischerweise in der Atmosphäre vorgefunden. Es sind auch Mehrschichtstrukturen möglich, d. h. Strukturen mit mehr als zwei Schichten. Das Verfahren lässt sich in analoger Weise auch auf solche Mehrschichtstrukturen anwenden.According to this described embodiment a so-called two-layer structure is used, with others Words a structure with two on top of each other arranged particle layers. Such structures typically become in the atmosphere found. Multilayer structures are also possible, i. H. Structures with more than two layers. The procedure can be apply in an analogous manner to such multi-layer structures.

Die Profile der Partikelrückstreu- und Partikelextinktionskoeffizienten werden in diesem Beispiel berechnet aus synthetischen Partikelgrößenverteilungen mit einem sogenannten Mie-Streualgorithmus. Die Verwendung eines Mie-Streualgorithmus ist an sich z. B. in [6] beschrieben. In den Simulationen werden die Rückstreukoeffizienten bei den Wellenlängen 355 nm, 532 nm und 1064 nm und die Extinktionskoeffizienten bei den Wellenlängen 355 nm und 532 nm betrachtet. Das Verfahren ist jedoch nicht auf die genannten Wellenlängen und Kombinationen von Rückstreu- und Extinktionskoeffizienten beschränkt. Gemäß alternativen Ausgestaltungen können andere Wellenlängen bzw. andere Kombinationen optischer Parameter verwendet werden.The Profiles of particle backscatter and particle extinction coefficients are calculated in this example from synthetic particle size distributions with a so-called Mie spreading algorithm. The use of a Mie scattering algorithm is in itself z. In [6] described. In the simulations, the backscatter coefficients in the wavelength 355 nm, 532 nm and 1064 nm and the extinction coefficients at the wavelengths Considered 355 nm and 532 nm. The process is not up, though the said wavelengths and Combinations of backscattering and extinction coefficients limited. In alternative embodiments can other wavelengths or other combinations of optical parameters.

Die optischen Partikeleigenschaften werden aus vorgegebenen logarithmischen Normalverteilungen berechnet (siehe dazu z. B. [13]), welche natürlich auftetende Partikelgrößenverteilungen ausreichend gut beschreiben (auch diesbezüglich ist das Verfahren jedoch nicht auf eine spezifische Form der Partikelgrößenverteilung beschränkt):

Figure 00350001
The optical particle properties are calculated from given logarithmic normal distributions (see eg [13]), which describe naturally occurring particle size distributions sufficiently well (in this case, too, the method is not limited to a specific form of the particle size distribution):
Figure 00350001

Der Ausdruck dn(r) bezeichnet die Anzahlkonzentration der Partikel im Größenintervall [lnr; lnr + dlnr], nt ist die Gesamtanzahlkonzentration, rmod,N ist der Modenradius bezüglich der Anzahlkonzentration, und σ bezeichnet die geometrische Standardabweichung (Modenbreite). Gl. (57) beschreibt eine monomodale Verteilung, d. h. eine Verteilung mit einem Maximum. Gemäß alternativen Ausgestaltungen kann das Verfahren kann auch auf mehrmodale Verteilungen ausgeweitet werden.The term dn (r) denotes the number concentration of the particles in the size interval [lnr; lnr + dlnr], n t is the total number concentration, r mod, N is the mode radius with respect to the number concentration, and σ denotes the geometric standard deviation (mode width). Eq. (57) describes a monomodal distribution, ie a distribution with a maximum. In alternative embodiments, the method may also be extended to multi-modal distributions.

Die optischen Profile (mit anderen Worten, die Vertikalprofile der Rückstreu- und Extinktionskoeffizienten) werden in den Inversionsalgorithmus eingegeben, und die Profile der integralen Eigenschaften der Partikelgrößenverteilungen, d. h. Anzahl-, Oberflächen- und Volumenkonzentration, werden bestimmt. Der mittlere Partikelradius, oder mich der effektive Radius, können aus diesen Größen abgeleitet werden. Der komplexe Brechungsindex folgt ebenfalls direkt aus diesem Inversionsverfahren.The optical profiles (in other words, the vertical profiles of the backscatter and extinction coefficients) become the inversion algorithm and the profiles of the integral properties of the particle size distributions, d. H. Number, surface and volume concentration are determined. The mean particle radius, or me the effective radius, can be derived from these sizes become. The complex refractive index also follows directly from this Inversion process.

4 zeigt das Beispiel der Zweischichtstruktur. Gezeigt sind die synthetisch erzeugten Profile der optischen Partikeleigenschaften, d. h. der Partikelrückstreukoeffizienten (Diagramm 401) und der Partikelextinktionskoeffizienten (Diagramm 402). Die Rückstreukoeffizienten sind gezeigt für die Wellenlängen 355 nm, 532 nm und 1064 nm, und die Partikelextinktionskoeffizienten sind gezeigt für die Wellenlängen 355 nm und 532 nm. In 4 ist zu erkennen, dass der Übergang bzw. die Grenze zwischen den beiden Partikelschichten der Zweischichtstruktur in einer Höhe von ungefähr 1.5 km erfolgt. Das Zweischichtsystem wird in sogenannte Unterschichten (bzw. Teilschichten) aufgespaltet, dargestellt durch die einzelnen Symbole. Mit anderen Worten repräsentiert jedes Symbol im Diagramm 401 den Wert des Rückstreukoeffizienten (für die jeweilige Wellenlänge) in einer bestimmten Unterschicht, und entsprechend repräsentiert jedes Symbol im Diagramm 402 den Wert des Extinktionskoeffizienten in einer bestimmten Unterschicht. 4 shows the example of the two-layer structure. Shown are the synthetically generated profiles of the optical particle properties, ie the particle backscatter coefficients (Diagram 401 ) and the particle extinction coefficient (Diagram 402 ). The backscatter coefficients are shown for the 355 nm, 532 nm, and 1064 nm wavelengths, and the particle extinction coefficients are shown for the 355 nm and 532 nm wavelengths 4 It can be seen that the transition or the boundary between the two particle layers of the two-layer structure takes place at a height of approximately 1.5 km. The two-layer system is split into so-called sublayers (or sublayers), represented by the individual symbols. In other words, every symbol in the diagram represents 401 the value of the backscatter coefficient (for each wavelength) in a given sublayer, and correspondingly, each symbol in the graph represents 402 the value of the extinction coefficient in a given sublayer.

Eine derartige Unterteilung kann in Bezug gesetzt werden zur Höhenauflösung einer Lidarmessung. In dem gezeigten Beispiel ist eine Höhenauflösung von 200 m gewählt. Das Verfahren ist jedoch nicht beschränkt auf die konkrete Wahl der Höhenauflösung.A Such subdivision can be related to the height resolution of a Lidarmessung. In the example shown, a height resolution of 200 m chosen. However, the procedure is not limited to the concrete choice of Height resolution.

Die in 4 gezeigten Daten sind fehlerfrei. Es wird nun zusätzlich ein statistischer Fehler in den optischen Daten in jeder Höhenschicht gewählt. Mit anderen Worten werden die synthetisch generierten, fehlerfreien Daten aus 4 mit einem statistischen Fehler verrauscht.In the 4 shown data are error free. In addition, a statistical error in the optical data in each altitude layer is additionally selected. In other words, the synthetically generated, error-free data turns out 4 noisy with a statistical error.

5 zeigt die mit dem statistischen Fehler verrauschten optischen Profile für den Partikelrückstreukoeffizienten (Diagramm 501) und den Partikelextinktionskoeffizienten (Diagramm 502) bei jeweils 532 nm Wellenlänge. Die Daten bei 355 nm und 1064 nm werden in der selben Art und Weise behandelt, so dass sich ähnliche Darstellungen ergeben. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wurden die Daten mit einem statistischen Fehler von 10% verrauscht. Alternativ können andere Werte für den statistischen Fehler verwendet werden. 5 shows the noisy statistical profiles for the particle backscatter with the statistical error coefficients (diagram 501 ) and the particle extinction coefficient (Diagram 502 ) at 532 nm wavelength. The data at 355 nm and 1064 nm are treated in the same way, giving similar representations. In the embodiment shown, the data was noisy with a statistical error of 10%. Alternatively, other values may be used for the statistical error.

Auschließend wird die Inversion zehnmal für den verrauschten Datensatz (d. h. für die verrauschten optischen Profile bei allen Wellenlängen) sowie einmal für den fehlerfreien Datensatz (4) durchgeführt.Finally, the inversion is repeated ten times for the noisy data set (ie for the noisy optical profiles at all wavelengths) and once for the error-free data set ( 4 ) carried out.

6 zeigt die mittleren Profile der untersuchten mikrophysikalischen Parameter sowie deren Standardabweichung für die umformulierte eindimensionale Regularisierung (dargestellt durch die Kreis-Symbole in den Diagrammen 601 bis 606) und die zweidimensionale Regularisierung (dargestellt durch die Quadrat-Symbole in den Diagrammen 601 bis 606). Die Profile der mikrophysikalischen Partikeleigenschaften stellen das Mittel aller elf Inversionsläufe dar. Gezeigt sind die Profile der Anzahlkonzentration (Diagramm 601), Oberflächenkonzentrattion (Diagramm 602) und Volumenkonzentration (Diagramm 603), des effektiven Radius (Diagramm 604) sowie des Realteils (Diagramm 605) und Imaginärteils (Diagramm 606) des komplexen Brechungsindex. Die Symbole kennzeichnen die Höhenschichten, in denen die mikrophysikalischen Parameter bestimmt wurden, vgl. 4. Die Ergebnisse sind gezeigt für die umformulierte eindimensionale Regularisierung und die zweidimensionale Regularisierung. Die theoretischen Werte sind durch durchgezogenene Linien gekennzeichnet. Für die Rechnungen wurden monomodale logarithmische Normalverteilungen angenommen, wie oben beschrieben. Als Modenradien in der unteren bzw. der oberen Schicht wurden 0.15 μm bzw. 0.1 μm angenommen. Die geometrischen Standardabweichungen (Modenbreiten) sind 1.8 in der unteren Schicht bzw. 1.5 in der oberen Schicht. 6 shows the mean profiles of the investigated microphysical parameters and their standard deviation for the reformulated one-dimensional regularization (represented by the circle symbols in the diagrams 601 to 606 ) and the two-dimensional regularization (represented by the square symbols in the diagrams 601 to 606 ). The profiles of the particle microphysical properties represent the mean of all eleven inversion runs. Shown are the profiles of the number concentration (Diagram 601 ), Surface concentration (diagram 602 ) and volume concentration (Diagram 603 ), the effective radius (Diagram 604 ) as well as the real part (diagram 605 ) and imaginary part (Diagram 606 ) of the complex refractive index. The symbols indicate the height layers in which the microphysical parameters were determined, cf. 4 , The results are shown for the reformulated one-dimensional regularization and the two-dimensional regularization. The theoretical values are indicated by solid lines. For the calculations, monomodal logarithmic normal distributions were assumed, as described above. The mode radii in the lower and the upper layer were assumed to be 0.15 μm and 0.1 μm, respectively. The geometric standard deviations (mode widths) are 1.8 in the lower layer and 1.5 in the upper layer.

6 zeigt, dass das Verfahren den Übergangspunkt zwischen den zwei Partikelschichten in allen gesuchten Parametern erfasst. Ein weiterer Vorteil der Methodik ist, dass ohne größere Nachbearbeitungsverfahren, im Gegensatz zum Fall der klassischen eindimensionalen Regularisierung, die Fehler gut unter 50% gehalten werden können. Diese Fehlergrenze wird typischerweise genommen, um eine prinzipielle Anwendbarkeit eines Auswerteverfahrens in der Aerosolcharakterisierung mit Lidar nachzuweisen. 6 shows that the method captures the transition point between the two particle layers in all parameters sought. Another advantage of the methodology is that without major postprocessing methods, unlike the case of classic one-dimensional regularization, the errors can be kept well below 50%. This error limit is typically taken in order to prove a principle applicability of an evaluation method in aerosol characterization with lidar.

Tab. 1 fasst die Schichtmittelwerte, die mittels unterschiedlicher Verfahren gewonnen wur Tabelle 1. Parameter Theorie Klassische 1-Dim. Inversion Umformulierte 1-Dim. Inversion 2-Dim. Inversion 0–1300-m Höhenbereich reff(μm) 0.28 0.30 ± 0.06 0.30 ± 0.06 0.29 ± 0.06 nt(cm–3) 1 1.6 ± 1 1.7 ± 1 1.6 ± 0.8 υt(μm3cm–3) 0.078 0.1 ± 0.03 0.1 ± 0.03 0.091 ± 0.020 αt(μm2cm–3) 0.85 1.0 ± 0.2 1.0 ± 0.2 0.97 ± 0.13 mRe 1.35 1.34 ± 0.05 1.34 ± 0.05 1.34 ± 0.05 mIm 0.005 0.011 ± 0.01 0.013 ± 0.011 0.013 ± 0.011 1700–2900-m Höhenbereich reff(μm) 0.22 0.26 ± 0.06 0.26 ± 0.06 0.23 ± 0.04 nt(cm–3) 0.5 0.74 ± 0.39 0.74 ± 0.38 0.67 ± 0.29 υt(μm3cm–3) 0.02 0.029 ± 0.008 0.029 ± 0.008 0.025 ± 0.006 αt(μm2cm–3) 0.27 0.34 ± 0.06 0.34 ± 0.06 0.32 ± 0.05 mRe 1.4 1.35 ± 0.06 1.35 ± 0.06 1.36 ± 0.06 mIm 0.02 0.017 ± 0.013 0.017 ± 0.013 0.017 ± 0.014 den, zusammen. Die Tabelle zeigt die mikrophysikalischen Partikelparameter (Mittelwert ± Standardabweichung) abgeleitet aus dem klassischen eindimensionalen Regularisierungsverfahren (dargestellt in der dritten Tabellenspalte), dem umformulierten eindimensionalen Regularisierungsverfahren (dargestellt in der vierten Tabellenspalte) und dem zweidimensionalen Regularisierungsverfahren (dargestellt in der fünften Tabellenspalte) für das Beispiel aus 4. In der zweiten Tabellenspalte sind zum Vergleich die theoretischen Werte der jeweiligen Parameter angegeben. Die Inversionen wurden durchgeführt für den ungestörten Datensatz sowie zehnmal für optische Daten, die mit statistischem Fehler von 10% verrauscht wurden. Die Ergebnisse aller elf Inversionsläufe wurden gemittelt. Die Zahlen wurden berechnet als Mittelwert aller Höhenschichten innerhalb der angezeigten Höhenbereiche.Tab. 1 summarizes the average shift values obtained by means of different methods Table 1. parameter theory Classic 1-Dim. inversion Reformulated 1-Dim. inversion 2-dim. inversion 0-1300 m altitude range r eff (μm) 12:28 0.30 ± 0.06 0.30 ± 0.06 0.29 ± 0.06 n t (cm -3 ) 1 1.6 ± 1 1.7 ± 1 1.6 ± 0.8 υ t (μm 3 cm -3 ) 0078 0.1 ± 0.03 0.1 ± 0.03 0.091 ± 0.020 α t (μm 2 cm -3 ) 0.85 1.0 ± 0.2 1.0 ± 0.2 0.97 ± 0.13 Re 1:35 1.34 ± 0.05 1.34 ± 0.05 1.34 ± 0.05 In m 0005 0.011 ± 0.01 0.013 ± 0.011 0.013 ± 0.011 1700-2900 m altitude range r eff (μm) 12:22 0.26 ± 0.06 0.26 ± 0.06 0.23 ± 0.04 n t (cm -3 ) 0.5 0.74 ± 0.39 0.74 ± 0.38 0.67 ± 0.29 υ t (μm 3 cm -3 ) 12:02 0.029 ± 0.008 0.029 ± 0.008 0.025 ± 0.006 α t (μm 2 cm -3 ) 12:27 0.34 ± 0.06 0.34 ± 0.06 0.32 ± 0.05 Re 1.4 1.35 ± 0.06 1.35 ± 0.06 1.36 ± 0.06 In m 12:02 0.017 ± 0.013 0.017 ± 0.013 0.017 ± 0.014 the, together. The table shows the microphysical particle parameters (mean ± standard deviation) derived from the classical one-dimensional regularization method (shown in the third table column), the reformulated one-dimensional regularization method (shown in the fourth column of the table) and the two-dimensional regularization method (shown in the fifth tables column) for the example 4 , In the second table column, the theoretical values of the respective parameters are given for comparison. The inversions were performed for the undisturbed data set and ten times for optical data that was noisy with a statistical error of 10%. The results of all eleven inversion runs were averaged. The numbers were calculated as the mean of all elevation layers within the displayed elevation ranges.

Die Ergebnisdatensätze wurden durch Glättung zweiter Ordnung auf die untersuchten Datensätze erhalten. Im Fall der zweidimensionalen Regularisierung wurde zudem eine Glättung zweiter Ordnung entlang der z-Richtung, d. h. in aufeinanderfolgenden Höhenschichten, angewendet. Die Inversion mit der klassischen eindimensionalen Regularisierung wurde mit demselben Satz an Eingabeparametern untersucht wie im Falle der umformulierten eindi mensionalen Regularisierung und der zweidimensionalen Regularisierung. Der Ausdruck reff bezeichnet den effektiven Radius. Die Ausdrücke nt, αt und υt bezeichnen die Anzahl-, und Oberflächen- und Volumenkonzentration. Der Realteil des komplexen Brechungsindex ist mit mRe bezeichnet. Der Imaginärteil ist mit mIm, bezeichnet.The result data sets were obtained by smoothening second order on the examined data sets. In the case of two-dimensional regularization, second-order smoothing was also applied along the z-direction, ie in successive height layers. The inversion with the classical one-dimensional regularization was investigated with the same set of input parameters as in the case of the reformulated one-dimensional regularization and the two-dimensional regularization. The expression r eff denotes the effective radius. The terms n t , α t and υ t denote the number, and surface and volume concentration. The real part of the complex refractive index is denoted by m Re . The imaginary part is designated m Im .

Aus Tab. 1 erkennt man die geringeren Abweichungen der erhaltenen Ergebnisse von den vorgegebenen theoretischen Werten im Fall der umformulierten eindimensionalen Regularisierung im Vergleich zur klassischen eindimensionalen Regularisierung. Die zweidimensionale Regularisierung liefert nochmals verbesserte Ergebnisse, vor allem für den Fall der Anzahlkonzentration.Out Tab. 1 shows the smaller deviations of the results obtained from the given theoretical values in the case of the reformulated one-dimensional regularization compared to classical one-dimensional Regularization. The two-dimensional regularization delivers again improved results, especially in the case of the number concentration.

7 zeigt ein Diagramm 700 zur Veranschaulichung der Ermittlung des Diskrepanzparameterprofils für den Fall der Inversion mit umformulierter eindimensionaler Regularisierung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es wird der modifizierte Diskrepanzparameter δu der gemittelten Lösungen für das gesamte Profil berechnet, und nicht nur für eine bestimmte Höhenschicht δave wie es bei der Inversion mit klassischer eindimensionaler Regularisierung der Fall ist. Die in dem Diagramm 700 dargestellten Werte wurden unter Verwendung des oben im Zusammenhang mit 4 bis 6 beschriebenen Zweischicht-Struktur-Datensatzes ermittelt. 7 shows a diagram 700 to illustrate the determination of the discrepancy parameter profile for the case of inversion with reformulated one-dimensional regularization, according to an embodiment of the invention. The modified discrepancy parameter δ u of the averaged solutions is calculated for the entire profile, and not just for a certain height layer δ ave, as is the case with classical one-dimensional regularization inversion. The in the diagram 700 values shown were using the above related to 4 to 6 determined two-layer structure data set determined.

Das Diagramm 700 zeigt die Abweichungen (in Prozent) der Partikelparameter effektiver Partikelradius reff (dargestellt durch die Quadrate), Anzahlkonzentration nt (dargestellt durch die Dreiecke), Oberflächenkonzentration αt (dargestellt durch die Kreise) und Volumenkonzentration υt (dargestellt durch die Rauten) von den jeweiligen wahren Werten in Abhängigkeit vom Wert des Diskrepanzparameters δu, welcher für die Mittelung der einzelnen Lösungen verwendet wurde. Ich habe die Beschriftung der x-Achse in 7 in Diskrepanzparameter abgeaendert. Ferner ist die für das Gesamtprofil berechnete Diskrepanz δ ~(tot) in Abhängigkeit von dem Diskrepanzparameter δu aufgetragen (dargestellt durch die schwarzen Punkte im Diagramm 700).The diagram 700 shows the deviations (in percent) of the particle parameters effective particle radius r eff (represented by the squares), number concentration n t (represented by the triangles), surface concentration α t (represented by the circles) and volume concentration υ t (represented by the diamonds) of the respective true values as a function of the value of the discrepancy parameter δ u , which was used for the averaging of the individual solutions. I have the caption of the x-axis in 7 changed to discrepancy parameter. Furthermore, the discrepancy calculated for the overall profile is δ ~ (dead) depending on the Diskrepanzparameter δ u plotted (shown by the black dots in the graph 700 ).

In dem Diagramm 700 ist gezeigt, dass ein Bereich existiert, in dem die Diskrepanz δ ~(tot) relativ stark ansteigt. Dieser starke Anstieg markiert den Bereich, aus dem der optimale Wert δopt gewählt wird, welcher in dem gezeigten Beispiel δopt = 10% entspricht (dargestellt durch die senkrechte gestrichelte Linie). Mit anderen Worten markiert die gestrichelte Linie die Grenze (10%), bis zu der alle Lösungen akzeptiert werden. Gleichzeitig weichen die Mittelwerte des effektiven Partikel-Radius, der Anzahlkonzentration, der Oberflächenkonzentration und der Volumenkonzentration von den wahren Werten weniger stark ab, und ferner ist die Veränderung dieser Abweichungen auch vergleichsweise gering was noch wichtiger ist. Prinzipiell kann das optimale Mittelungs-Intervall noch erweitert werden, beispielsweise bis zu ungefähr δopt = 20%. Dabei ist zu beachten, dass die Abweichung des Profils der mittleren Anzahlkonzentration schneller ansteigt, als die Abweichungen der Profile der anderen Parameter abnehmen.In the diagram 700 is shown that an area exists in which the discrepancy δ ~ (dead) increases relatively strongly. This sharp increase marks the area from which the optimum value δ opt is selected, which in the example shown corresponds to δ opt = 10% (represented by the vertical dashed line). In other words, the dashed line marks the limit (10%) up to which all solutions are accepted. At the same time, the mean values of the effective particle radius, the number concentration, the surface concentration and the volume concentration deviate less from the true values, and further, the variation of these deviations is also comparatively small, more importantly. In principle, the optimum averaging interval can be extended even further, for example up to approximately δ opt = 20%. It should be noted that the deviation of the profile of the average number concentration increases faster than the deviations of the profiles of the other parameters decrease.

Nachfolgend werden weitere Eigenschaften und Effekte von beispielhaften Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.following become further properties and effects of exemplary embodiments of the invention.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln von Vertikalprofilen von physikalischen Eigenschaften (bzw. mikrophysikalischen Eigenschaften) atmosphärischer Partikel bereitgestellt. Ire dem Verfahren dienen Lidar-Messungen von Vertikalprofilen von optischen Eigenschaften der Partikel als Eingangsgröße. Die physikalischen Eigenschaften sind beispielsweise die mittlere Größe (z. B. effektiver Radius, mittlerer Volumenradius) von Partikelgrößenverteilungen, der komplexe Brechungsindex der Partikel, sowie deren Gestalt (z. B. kugelförmig oder nicht kugelförmig). Diese Parameter sind wesentliche Eingangsgrößen bei der Untersuchung des Klimawandels durch Partikelverschmutzung, die durch menschliche Aktivitäten verursacht wird.According to one Embodiment of the invention is a method for determining Vertical profiles of physical properties (or microphysical Characteristics) more atmospheric Particles provided. Their method is lidar measurements of vertical profiles of optical properties of the particles as input. The physical properties are, for example, the average size (eg. effective radius, mean volume radius) of particle size distributions, the complex refractive index of the particles, as well as their shape (z. B. spherical or not spherical). These parameters are essential input variables in the investigation of the Climate change through particle pollution caused by human Activities caused becomes.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Algorithmus bzw. ein Verfahren zur Durchführung einer Dateninversion bereitgestellt. Dieses Verfahren kann verwendet werden in einem Verfahren zur Bestimmung von physikalischen (bzw. mikrophysikalischen) Eigenschaften von Partikeln, z. B. atmosphärischen Partikeln.According to one embodiment of the invention is an algorithm or a method for performing ei provided a data inversion. This method can be used in a method for determining physical (or microphysical) properties of particles, e.g. B. atmospheric particles.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist ein Verfahren bereitgestellt zum Ermitteln eines optimalen Profils eines Lagrange-Multiplikators, welcher für einen Regularisierungsschritt im Rahmen der Daten-Inversion verwendet werden kann.According to one In another embodiment, a method is provided for determining an optimal profile of a Lagrangian multiplier, which for a Regularization step used in the context of data inversion can be.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Inversionsverfahren bereitgestellt zur Bestimmung von Vertikalprofilen von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel. In dem Verfahren dienen Lidar-Messungen von Vertikalprofilen von optischen Eigenschaften der Partikel als Eingangsgröße. Die physikalischen Eigenschaften sind mittlere Größe. von Partikelgrößenverteilungen, integralen Parametern wie der Anzahl-, Oberflächen- und Volumenkonzentration, der komplexe Brechungsindex der Partikel, sowie deren Gestalt (kugelförmig oder nicht kugelförmig). Das Verfahren ist nicht auf diese Parameter beschränkt.According to one Another embodiment of the invention is an inversion method provided for the determination of vertical profiles of physical Characteristics of atmospheric Particle. Lidar measurements of vertical profiles are used in the procedure of optical properties of the particles as input. The physical Properties are medium size. from Particle size distributions, integral parameters such as the number, surface and volume concentration, the complex refractive index of the particles, as well as their shape (spherical or not spherical). The method is not limited to these parameters.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung können optische Eigenschaften, die vertikal aufgelöst gemessen werden, direkt in den verwendeten Algorithmus eingegeben werden. Hierzu wird eine spezielle Methodik der Matrizenrechnung auf dem Gebiet der Fernmess- und Fernmerkundungsmethodik verwendet. Das Verfahren wird als zweidimensionale Regularisierung bezeichnet und kann ohne weiteres zu einer mehrdimensionalen Regularisierung ausgeweitet werden. Mit dem Verfahren kann eine verbesserte Bestimmung der physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel erfolgen. Grund für diese Verbesserung ist die sogenannte Stabilisierung des verwendeten mathematischen Verfahrens der Dateninversion. Derartige Verfahren sind gekennzeichnet durch eine extreme Instabilität, der Uneindeutigkeit sowie der Unvollständigkeit des erhaltenen Lösungsraumes. Ein Effekt der zweidimensionalen Regularisierung kann darin gesehen werden, dass aufwändige Datennachbearbeitungsprozeduren, welche herkömmlicherweise durchgeführt werden, um aus dem mathematischen Lösungsraum den physikalischen Lösungsraum zu identifizieren, nicht erforderlich sind.According to one other embodiment can optical properties measured vertically resolved directly be entered into the algorithm used. This will be a special methodology of matrix calculation in the field of telemetering and telecommunications annotation methodology. The procedure is called two-dimensional Regularization denotes and can easily to a multi-dimensional regularization be extended. With the method can be an improved determination the physical properties of atmospheric particles take place. reason for This improvement is the so-called stabilization of the used mathematical method of data inversion. Such methods are characterized by extreme instability, ambiguity as well as the incompleteness of the solution space obtained. An effect of the two-dimensional regularization can be seen therein be that elaborate Data postprocessing procedures that are conventionally performed out of the mathematical solution space the physical solution space to identify, are not required.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung von Vertikalprofilen mikrophysikalischer Eigenschaften von atmosphärischen Partikeln bereitgestellt, bei dem die Profile innerhalb eines Rechenschrittes bestimmt werden. Im Gegensatz dazu wird beim herkömmlichen Verfahren mit klassischer eindimensionaler Regularisierung das zugrunde liegende Gleichungssystem für jede Höhenschicht der vorgegebenen optischen Profile einzeln gelöst. Dieser Vorgang der separaten Lösungsfindung erfordert umfangreichere Kenntnisse der datenauswertenden Person auf dem Gebiet der Aerosoleigenschaften und Kenntnisse in der Gerätetechnik und den damit einhergehenden Fehlerquellen auf die zu ermittelnden optischen Profile. Bei dem Verfahren gemäß dieser Ausgestaltung wird eine zweidimensionale Regularisierung (allgemein eine mehrdimensionale Regularisierung) verwendet. Mit dem Verfahren der mehrdimensionalen und im speziellen der zweidimensionalen Regularisierung können zeitaufwändige Nachbearbeitungsprozeduren der gefundenen Lösungen zu einem großen Teil vermieden werden, im Gegensatz zum herkömmlichen Verfahren der klassischen eindimensionalen Regularisierung. Ein Effekt des Verfahrens gemäß dieser Ausgestaltung kann darin gesehen, dass sich durch diese Technik in der Datenauswertung eine Anwendbarkeit auf industriellem Maßstab umsetzen lässt. Ferner ergibt sich mit dem Verfahren auch die Möglichkeit der Datenauswertung auf operationeller Ebene.According to one Another embodiment of the invention is a method for determining of vertical profiles of microphysical properties of atmospheric Particles provided in which the profiles within a computing step be determined. In contrast, the conventional Method based on classic one-dimensional regularization lying equation system for every height layer the predetermined optical profiles solved individually. This process of the separate finding solutions requires more extensive knowledge of the data-evaluating person in the field of aerosol properties and knowledge of equipment technology and the associated sources of error to be determined optical profiles. In the method according to this embodiment is a two-dimensional regularization (generally a multidimensional Regularization). With the method of multidimensional and In particular, the two-dimensional regularization can be time-consuming wrap-up procedures the solutions found to a big one Part avoided, in contrast to the conventional method of classical one-dimensional regularization. An effect of the method according to this Design can be seen in that through this technique implement in the data evaluation an applicability on an industrial scale leaves. Furthermore, the method also provides the possibility of data evaluation at the operational level.

Gemäß einer Ausgestaltung erfolgt die Bestimmung des Lösungraums mittels des oben in dem Abschnitt 'Zweidimensionale Regularisierung' beschriebenen Formalismus'. Dabei gilt als Grundlage der Funktionstüchtigkeit des Formalismus', dass der oben in dem Abschnitt 'Umformuliertes eindimensionales Problem' beschriebene Formalismus verwendet wird. In diesem Formalismus erfolgt die Kopplung der optischen Datensätze aus einzelnen Höhenschichten der optischen Profile.According to one Design, the determination of the solution space by means of the above in the section 'Two-dimensional Regularization 'described Formalism'. there is considered the basis of the functionality of the formalism 'that the above in the section 'Reformulated one-dimensional problem 'described Formalism is used. In this formalism, the coupling takes place the optical data sets from individual height layers the optical profiles.

Es ist anzumerken, dass die in dieser Anmeldung beschriebene Inversionsmethodik nicht auf die Verwendung von optischen Daten (z. B. Rückstreuung, Extinktion, Absorption, Streuung) beschränkt ist. Ferner ist die Methode auch nicht beschränkt auf die Verwendung von anderen Daten wie z. B. Messung von spektral aufgelösten Partikelmassenverteilungen, sowie der Volumen-, Oberflächen-, Anzahlkonzentration (sogenannten Momenten der Partikelgrößenverteilung). Außerdem ist die Datenkombination nicht für eine prinzipielle Anwendbarkeit des beschriebenen Verfahrens notwendig. Vom mathematischen Standpunkt aus gesehen ist die Methodik ohne Einschränkung anwendbar.It It should be noted that the inversion methodology described in this application not on the use of optical data (eg backscatter, Extinction, absorption, scattering) is limited. Further, the method also not limited on the use of other data such. B. Measurement of spectrally resolved particle mass distributions, as well as the volume, surface, Number concentration (so-called moments of the particle size distribution). Furthermore the data combination is not for a basic applicability of the described method is necessary. From a mathematical point of view, the methodology is without restriction applicable.

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Claims (14)

Verfahren zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel, bei dem: – mindestens ein Vertikalprofil mindestens einer optischen Eigenschaft der Partikel bereitgestellt wird; – mindestens ein Vertikalprofil mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Partikel mittels eines Inversionsverfahrens aus dem mindestens einen Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel ermittelt wird, – wobei im Rahmen des Inversionsverfahrens ein für eine Mehrzahl von Höhenschichten der Vertikalprofile gemeinsames Diskrepanzparameterprofil ermittelt wird und das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen physikalischen Eigenschaft unter Verwendung des Diskrepanzparameterprofils ermittelt wird.Method for determining physical properties atmospheric Particles in which: - at least a vertical profile of at least one optical property of the particles provided; - at least a vertical profile of at least one physical property of Particles by means of an inversion of the at least one Vertical profile of the at least one optical property of the particles is determined - in which in the context of the inversion method one for a plurality of height layers the vertical profiles common discrepancy parameter profile determined and that at least one vertical profile of the at least one physical property using the discrepancy parameter profile is determined. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel bereitgestellt wird, indem die mindestens eine optische Eigenschaft mittels mindestens einer optischen Messung erfasst wird.Method according to claim 1, wherein the at least one vertical profile of the at least one optical property of the particles is provided by the at least one optical property by means of at least one optical Measurement is detected. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die mindestens eine optische Eigenschaft der Partikel in jeder einzelnen der Mehrzahl von Höhenschichten erfasst wird.Method according to claim 2, wherein the at least one optical property of the particles in Each of the plurality of height layers is detected. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die mindestens eine optische Messung eine Lidar-Messung ist.Method according to claim 3, wherein the at least one optical measurement is a lidar measurement is. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei mittels der Lidar-Messung der Rückstreukoeffizient und/oder der Extinktionskoeffizient der Partikel bei mindestens einer optischen Wellenlänge als die mindestens eine optische Eigenschaft erfasst werden.Method according to claim 4, wherein by means of the Lidar measurement of the backscatter coefficient and / or the extinction coefficient of the particles at least one optical wavelength as the at least one optical property are detected. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei der Rückstreukoeffizient und/oder der Extinktionskoeffizient für eine Mehrzahl von optischen Wellenlängen erfasst werden.Method according to claim 5, wherein the backscatter coefficient and / or the extinction coefficient for a plurality of optical wavelength be recorded. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Inversionsverfahren mindestens einen Regularisierungsschritt aufweist, und wobei das Ermitteln des Diskrepanzparameterprofils im Rahmen des mindestens einen Regularisierungsschrittes erfolgt.Method according to one the claims 1 to 6, wherein the inversion process at least one regularization step and wherein determining the discrepancy parameter profile within the framework of the at least one regularization step. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Inversionsverfahren eines der folgenden Verfahren ist: – ein Inversionsverfahren mit umformulierter eindimensionaler Regularisierung; – ein Inversionsverfahren mit zweidimensionaler Regularisierung; – ein Inversionsverfahren mit mehrdimensionaler Regularisierung.Method according to claim 7, wherein the inversion method is one of the following methods is: - one Inversion method with reformulated one-dimensional regularization; - an inversion process with two-dimensional regularization; - an inversion process with multidimensional regularization. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine physikalische Eigenschaft der Partikel eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften ist: – die mittlere Partikelgröße; – die Anzahlkonzentration der Partikel; – die Oberflächenkonzentration der Partikel: – die Volumenkonzentration der Partikel: – der komplexe Brechungsindex der Partikel; – die Form der Partikel.Method according to one the claims 1 to 8, where the at least one physical property the particle has one or more of the following properties: - the middle Particle size; - the number concentration the particle; - the surface concentration the particle: - the Volume concentration of the particles: - the complex refractive index the particle; - the Shape of the particles. Vorrichtung zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel, aufweisend: – eine Bereitstellungseinrichtung zum Bereitstellen mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer optischen Eigenschaft der Partikel; – eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Partikel aus dem mindestens einen Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel mittels eines Inversionsverfahrens, – wobei die Ermittlungseinrichtung so eingerichtet ist, dass im Rahmen des Inversionsverfahrens ein für eine Mehrzahl von Höhenschichten der Vertikalprofile gemeinsames Diskrepanzparameterprofil ermittelt wird und das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen physikalischen Eigenschaft der Partikel unter Verwendung des Diskrepanzparameterprofils ermittelt wird.Device for determining physical properties atmospheric Particles comprising: - one Provision device for providing at least one vertical profile at least one optical property of the particles; - a detection device for determining at least one vertical profile of at least one physical property of the particles from the at least one Vertical profile of the at least one optical property of the particles by means of an inversion method, - wherein the determination device is set up so that in the context of the inversion process for a majority of altitude layers the vertical profiles common discrepancy parameter profile determined and that at least one vertical profile of the at least one physical property of the particles using the discrepancy parameter profile is determined. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Bereitstellungseinrichtung so eingerichtet ist, dass die mindestens eine optische Eigenschaft der Partikel mittels mindestens einer optischen Messung erfasst und bereitgestellt werden kann.Device according to claim 10, wherein the providing means is arranged so that the at least one optical property of the particles by means of at least an optical measurement can be detected and provided. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, eingerichtet als Lidar-Mess-Vorrichtung.Device according to claim 10, set up as a lidar measuring device. Computerlesbares Speichermedium, in dem ein Programm zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel gespeichert ist, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer optischen Eigenschaft der Partikel; – Ermitteln mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Partikel mittels eines Inversionsverfahrens aus dem mindestens einen Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel, – wobei im Rahmen des Inversionsverfahrens ein für eine Mehrzahl von Höhenschichten der Vertikalprofile gemeinsames Diskrepanzparameterprofil ermittelt wird und das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen physikalischen Eigenschaft der Partikel unter Verwendung des Diskrepanzparameterprofils ermittelt wird.Computer-readable storage medium containing a program for determining physical properties of atmospheric Particle is stored which, when executed by a processor, comprising the following method steps: - Provide at least a vertical profile of at least one optical property of Particle; - Determine at least one vertical profile of at least one physical Property of the particles by means of an inversion process the at least one vertical profile of the at least one optical Property of the particles, - in which in the context of the inversion method one for a plurality of height layers the vertical profiles common discrepancy parameter profile determined and that at least one vertical profile of the at least one physical property of the particles using the discrepancy parameter profile is determined. Computerprogramm-Element zum Ermitteln von physikalischen Eigenschaften atmosphärischer Partikel, das, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, folgende Verfahrensschritte aufweist: – Bereitstellen mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer optischen Eigenschaft der Partikel; – Ermitteln mindestens eines Vertikalprofils mindestens einer physikalischen Eigenschaft der Partikel mittels eines Inversionsverfahrens aus dem mindestens einen Vertikalprofil der mindestens einen optischen Eigenschaft der Partikel, – wobei im Rahmen des Inversionsverfahrens ein für eine Mehrzahl von Höhenschichten der Vertikalprofile gemeinsames Diskrepanzparameterprofil ermittelt wird und das mindestens eine Vertikalprofil der mindestens einen physikalischen Eigenschaft der Partikel unter Verwendung des Diskrepanzparameterprofils ermittelt wird.Computer program element for determining physical Characteristics of atmospheric Particle that, when executed by a processor, comprising the following method steps: - Provide at least a vertical profile of at least one optical property of Particle; - Determine at least one vertical profile of at least one physical Property of the particles by means of an inversion process the at least one vertical profile of the at least one optical Property of the particles, - in which in the context of the inversion method one for a plurality of height layers the vertical profiles common discrepancy parameter profile determined and that at least one vertical profile of the at least one physical property of the particles using the discrepancy parameter profile is determined.
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Owner name: REMOTE SENSING CONSULTANTS LTD., BARNET, GB

Free format text: FORMER OWNER: LEIBNIZ-INSTITUT FUER TROPOSPHAERENFORSCHUNG E. V., 04318 LEIPZIG, DE

Effective date: 20140320

Owner name: REMOTE SENSING CONSULTANTS LTD., GB

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R082 Change of representative

Representative=s name: VIERING, JENTSCHURA & PARTNER MBB PATENT- UND , DE

Effective date: 20140320

Representative=s name: VIERING, JENTSCHURA & PARTNER PATENT- UND RECH, DE

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