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 PDFInfo
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Abstract
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.
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
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
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.
In
dem Diagramm
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
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
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.
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: 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:
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 gi(λk) 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
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:
Der Index p beschreibe im folgenden die Art und Anzahl der optischen Daten. Damit kann Gl. (1) umgeschrieben werden in die Form The index p will describe below the type and number of optical data. Thus Eq. (1) be rewritten in the form
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
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:
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
Die
einfache Lösung
von Gl. (5) für
die Wichtungsfaktoren w führt
auf die Lösung
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:
Der
Ausdruck
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:
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 ) 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 ) 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])
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 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 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:
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]):
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
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
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
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: 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:
Dieser
Satz von linearen Gleichungen wird wieder in eine Vektor-Matrix-Beziehung
umformuliert, d. h., man schreibt
Die Matrix à und die Vektoren w ~, g ~ und ϵ ~ in Gl. (18) haben folgende Struktur: The matrix à and the vectors w ~, g ~ and ε ~ in Eq. (18) have the following structure:
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:
Die Matrix H ~ in Gl. (23) hat die folgende Form: 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: and the Lagrange multiplier γ is an N B N L × N B N L matrix of diagonal shape, ie
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: The particle properties along the z-direction are described by the following functions ben:
Die Integration von Gl. (16) über z ϵ [zmin, zmax] führt auf die zweidimensionale Fredholm-Integralgleichung der ersten Art: The integration of Eq. (16) over z ε [z min , z max ] leads to the two-dimensional Fredholm integral equation of the first kind:
Substitution der untersuchten Partikelgrößenverteilung υ(r) durch Gl. (4) resultiert in Substitution of the investigated particle size distribution υ (r) by Eq. (4) results in
Hierbei gilt folgende Bedingung: The following condition applies here:
Die Summe in Gl. (27) kann aufgespaltet werden, indem man den Parameter ϕj verwendet, mit so dass man folgenden Ausdruck erhält: The sum in Eq. (27) can be split by using the parameter φ j with so that one receives the following expression:
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: 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 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: 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 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 The vectors g - and ε - in Eq. (30) are given by
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 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 and p = 1, ..., l = 1, ..., N L.
Durch
Zusammenfassen der NB Gleichungen aus Gl.
(30) zu einer Matrix-Vektor-Gleichung erhält man schließlich:
Die Matrix H - und der Vektor w - in Gl. (38) haben die folgende Struktur: The matrix H - and the vector w - in Eq. (38) have the following structure:
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:
Zu
diesem Zweck werden die Eelier-Gleichungen (siehe hierzu z. B. [15])
für die
durch die Gleichungen (18) und (33) beschriebenen Tikhonov-Funktionale
betrachtet:
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:
Durch
Umformung erhält
man den Ausdruck
Sofern
keine zusätzliche
Information vorliegt, zum Beispiel über die Faktoren ϕ -1,
..., folgt
die Lösung
der zweidimensionalen Regularisierung aus Gl. (46) in der folgenden
Weise:
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: The definition of the regularization parameter κ can be done, for example, by means of the following criterion:
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+1/κi = 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: 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:
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 -: 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:
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, ..., ), und jeder dieser Faktoren hat seine Wichtungsmatrix K1, K2, ..., 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 ,. ), and each of these factors has its weighting matrix K 1 , K 2 ,. 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: 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:
Für den Fall einer Glättung zweiter Ordnung wird die Matrix H - geschrieben als: In the case of second-order smoothing, the matrix H is written as:
Die Elemente dieser Matrix können wiederum umgeordnet werden, und man erhält die endgültige Form der Glättungsmatrix K2 für die Glättung zweiter Ordnung: 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:
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
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
Eine
ausführliche
Erläuterung
dieser Art von Diskrepanz ist in [4] gegeben, wobei dort der Ausdruck
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
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
Die
Diskrepanz
Gemäß dem hier
beschriebenen Verfahren wird die Sequenz δ ~(tot)(tu) erzeugt in Abhängigkeit von der Anzahl der
gemittelten Lösungen,
d. h., t1, t2, ..., Jede
Zahl tu ist definiert durch die Bedingung
Betrachtet
man alle umax Lösungen, so lässt sich
die Funktion δ ~(tot)(δu) graphisch
darstellen als Sequenz
Ein
Vorteil der Funktion
Im
allgemeinen werden Ergebnisse gesucht, die innerhalb des Bereichs
des Diskrepanzparameters δopt liegen, wo zum einen die Funktion
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:
Im
folgenden wird unter Bezug auf
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): 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):
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.
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
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 (
Tab.
1 fasst die Schichtmittelwerte, die mittels unterschiedlicher Verfahren
gewonnen wur Tabelle 1.
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.
Das
Diagramm
In
dem Diagramm
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.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
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| DE102008003037A DE102008003037B3 (en) | 2008-01-02 | 2008-01-02 | 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 |
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|---|---|---|---|
| DE102008003037A DE102008003037B3 (en) | 2008-01-02 | 2008-01-02 | 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 |
Publications (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE102008003037B3 (en) |
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