一种基于多波长偏振激光雷达的生物气溶胶特性分析方法、装置、系统、设备及产品与流程
本发明属于激光遥感探测，具体涉及一种基于多波长偏振激光雷达的生物气溶胶特性分析方法、装置、系统、设备及产品，可应用于公共卫生监测、环境气象预警以及国防安全防控等场景。
背景技术：
1、生物气溶胶是指含有诸如细菌、真菌、病毒、花粉和孢子等具有生命活性微小粒子的气溶胶体系；对其浓度、种类及空间分布的实时监测，在公共卫生（如传染病防控或过敏原预警）、环境气象（如雾霾与生物气溶胶区分）以及国防安全（如生物战剂探测）等领域具有重要意义。
2、传统的生物气溶胶监测依赖于现场采样与实验室培养分析，存在监测滞后、覆盖范围有限和无法实现实时大范围连续监测等固有缺陷。为克服上述缺陷，本领域逐步发展了基于激光雷达的主动光学遥感技术，其核心原理是向大气发射激光脉冲，接收并分析大气中气溶胶粒子的后向散射信号，以反演气溶胶的光学特性与空间分布。
3、荧光激光雷达是生物气溶胶探测领域的主流技术之一，其利用紫外激光激发生物粒子产生荧光信号，通过探测荧光强度来推断生物气溶胶的存在与否。然而，该技术存在以下不足：第一，太阳光在可见光波段具有强背景辐射，导致白天探测信噪比显著下降，难以实现全天时连续观测；第二，部分非生物物质（如多环芳烃或特定矿物）同样可产生荧光信号，易导致假阳性误判；第三，不同种类生物气溶胶的荧光光谱存在重叠，难以实现精细分类。
4、偏振激光雷达是另一种广泛应用的气溶胶探测技术，其通过向大气发射线偏振激光，接收后向散射信号中的平行偏振分量与垂直偏振分量，计算退偏比以表征粒子的非球形程度；其中，诸如云滴或硫酸盐等球形粒子的退偏比较低，而诸如沙尘、冰晶和花粉等非球形粒子的退偏比较高。双波长偏振激光雷达进一步引入色比参数，以提供粒子尺寸的粗略信息。然而，偏振激光雷达的最大局限在于：生物气溶胶（如花粉或孢子）与矿物粉尘（如沙尘）均为非球形粒子，均呈现高退偏比特性，仅凭退偏比和有限的波长信息难以可靠区分二者，导致误报率较高。此外，现有方法通常依赖研究人员设定固定的光学参数阈值进行分类，主观性强，难以适应不同地区与不同气象条件下气溶胶特性的动态变化，普适性较差。
5、近年来，有研究者尝试将机器学习算法（如支持向量机或随机森林等）与激光雷达技术结合，通过提取多个光学特征训练分类模型，实现气溶胶类型的自动识别。然而，这些均属于有监督学习方法，其性能高度依赖于大量已标记的高质量训练数据。在实际应用中，获取涵盖所有可能气溶胶类型的标记数据成本高昂且操作困难，导致模型泛化能力受限，且仅能识别训练过程中已出现的气溶胶类别，对于训练集中未出现的新气溶胶类型或异常值，会错误地将其归入已知类别，缺乏发现未知气溶胶类型的能力。
6、综上所述，现有技术在生物气溶胶的激光雷达探测领域中，存在对标记数据依赖性强、复杂环境下分类特异性不足、误报率高、泛化能力弱和/或无法识别未知气溶胶类型等问题。因此，迫切需要一种能够克服上述缺陷的生物气溶胶特性分析新方案。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种基于多波长偏振激光雷达的生物气溶胶特性分析方法、装置、系统、计算机设备、计算机可读存储产品及计算机程序产品，用以解决现有技术在生物气溶胶的激光雷达探测领域中，存在对标记数据依赖性强、复杂环境下分类特异性不足、误报率高、泛化能力弱和/或无法识别未知气溶胶类型的问题。
2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
3、第一方面，提供了一种基于多波长偏振激光雷达的生物气溶胶特性分析方法，包括：
4、控制多波长偏振激光雷达向目标探测处发送多波长偏振激光，并通过所述多波长偏振激光雷达获取来自所述目标探测处的回波信号数据，其中，所述多波长偏振激光包括紫外激光、可见光激光和近红外激光，所述回波信号数据包括多个后向散射光的平行偏振分量强度信息和垂直偏振分量强度信息以及荧光的强度信息，所述多个后向散射光与所述多波长偏振激光中的可见光激光和近红外激光一一对应，所述荧光由所述紫外激光在所述目标探测处激发产生；
5、针对在所述多个后向散射光中的各个后向散射光，基于对应的平行偏振分量强度信息和垂直偏振分量强度信息，计算得到对应的退偏比，并采用斜率法反演得到对应的消光系数；
6、基于所述各个后向散射光的退偏比和消光系数以及所述荧光的强度信息，构建得到所述目标探测处的多维度光学特征向量；
7、基于多个不同所述目标探测处的多维度光学特征向量，采用高斯核密度聚类算法在特征空间中进行聚类分析以识别出至少一个聚类簇；
8、基于所述聚类簇在所述特征空间中的位置，区分生物气溶胶与非生物气溶胶，并根据区分结果得到各个目标探测处的气溶胶类型标签；
9、基于所述各个目标探测处的气溶胶类型标签和空间位置，反演得到生物气溶胶的浓度与分布状态并予以输出。
10、基于上述 技术实现要素： ，提供了一种通过控制多波长偏振激光雷达获取回波信号数据以进行生物气溶胶特性分析的新方案，即先控制多波长偏振激光雷达向目标探测处发送多波长偏振激光并获取回波信号数据，所述多波长偏振激光包括紫外激光、可见光激光和近红外激光，所述回波信号数据包括多个后向散射光的平行偏振分量强度信息和垂直偏振分量强度信息以及由紫外激光激发产生的荧光强度信息；针对各个后向散射光，基于对应的偏振分量强度信息计算退偏比，并采用斜率法反演消光系数；基于退偏比、消光系数和荧光强度信息构建多维度光学特征向量；基于多个目标探测处的多维度光学特征向量，采用高斯核密度聚类算法在特征空间中进行聚类分析以识别聚类簇；基于聚类簇在特征空间中的位置区分生物气溶胶与非生物气溶胶，并根据区分结果与各目标探测处的空间位置，反演得到生物气溶胶的浓度与分布状态并予以输出，如此通过将无监督聚类算法与多波长偏振探测技术相结合，无需依赖大量标记数据，即可实现对生物气溶胶的精准识别与分布状态反演，并具备自主发现未知气溶胶类型的能力，可广泛应用于公共卫生监测、环境气象预警和国防安全防控等场景，便于实际应用和推广。
11、在一个可能的设计中，针对在所述多个后向散射光中的各个后向散射光，基于对应的平行偏振分量强度信息和垂直偏振分量强度信息，计算得到对应的退偏比，并采用斜率法反演得到对应的消光系数，包括：
12、针对在所述多个后向散射光中的各个后向散射光，使对应的垂直偏振分量强度信息除以对应的平行偏振分量强度信息，得到对应的退偏比；
13、针对所述各个后向散射光，先使对应的平行偏振分量强度信息与对应的垂直偏振分量强度信息相加，得到总弹性散射强度，然后对该总弹性散射强度进行距离校正，并对校正结果取自然对数，得到距离校正对数信号，最后对该距离校正对数信号进行最小二乘线性拟合，并根据拟合所得斜率k，计算得到对应的消光系数α=-k÷2。
14、在一个可能的设计中，在识别出至少一个聚类簇之后，所述方法还包括：
15、若在所述至少一个聚类簇中的某个聚类簇在所述特征空间中与所有已标记聚类簇的距离均大于预设距离阈值，则将所述某个聚类簇标记为未知类型气溶胶，并生成针对所述未知类型气溶胶的报警信号，其中，所述已标记聚类簇是指已被区分为已知类型气溶胶的聚类簇。
16、在一个可能的设计中，基于所述聚类簇在所述特征空间中的位置，区分生物气溶胶与非生物气溶胶，包括：
17、基于所述聚类簇中的所有个体在所述特征空间中的位置，确定所述聚类簇在所述特征空间中的中心位置；
18、判断所述中心位置是否落入与生物气溶胶对应的第一预设区域，若是，则将与所述聚类簇对应的气溶胶区分为生物气溶胶；
19、判断所述中心位置是否落入与非生物气溶胶对应的第二预设区域，若是，则将与所述聚类簇对应的气溶胶区分为非生物气溶胶；
20、所述第一预设区域和所述第二预设区域分别基于气溶胶光学特性的先验知识预先界定。
21、在一个可能的设计中，所述多波长偏振激光雷达包括有激光发射模块、光学接收模块和信号探测与采集模块；
22、所述激光发射模块包括有用于产生所述多波长偏振激光的激光器、用于对所述多波长偏振激光进行扩束准直的扩束镜以及用于将扩束准直后的多波长偏振激光射向所述目标探测处的发射激光器，其中，所述激光器是在生成初始谐波后经四倍频与分频方式来同步产生所述可见光激光、所述近红外激光和所述紫外激光；
23、所述光学接收模块包括有用于接收来自所述目标探测处的后向散射光和荧光的卡塞格林接收望远镜、由二向色镜和带通滤光片组构成的分光器以及为各波长通道配置的偏振分束器，其中，所述分光器用于将所述多个后向散射光按波长分离，所述偏振分束器用于将各后向散射光分离为平行偏振分量和垂直偏振分量；
24、所述信号探测与采集模块包括有多组光电探测器和多通道高速数据采集卡，其中，所述多组光电探测器用于将分离后的各后向散射光的平行偏振分量、垂直偏振分量以及所述荧光分别转换为相应的电信号，所述多通道高速数据采集卡用于对所述电信号进行数字化采集，得到所述回波信号数据。
25、在一个可能的设计中，在反演得到生物气溶胶的浓度与分布状态之后，所述方法还包括：
26、基于所述浓度与分布状态，识别出满足预设补漏条件的区域，将所述区域内的至少一个位置确定为补漏目标探测处；
27、控制所述多波长偏振激光雷达向所述补漏目标探测处发送所述多波长偏振激光，并通过所述多波长偏振激光雷达获取来自所述补漏目标探测处的新回波信号数据；
28、基于所述新回波信号数据更新所述浓度与分布状态。
29、在一个可能的设计中，在构建所述多维度光学特征向量时，所述方法还包括：
30、获取用于反映当前环境背景光亮度的环境参数；
31、基于所述环境参数，动态调整所述多维度光学特征向量中各维度的权重，其中，当所述环境参数指示背景光亮度超过预设亮度阈值时，降低所述荧光的强度信息在所述多维度光学特征向量中的权重。
32、在一个可能的设计中，在反演得到生物气溶胶的浓度与分布状态之后，所述方法还包括：
33、获取气象数据和地形数据，其中，所述气象数据至少包括风速和风向信息；
34、结合所述浓度与分布状态以及所述气象数据和所述地形数据，生成所述生物气溶胶的扩散预警信息并予以输出。
35、第二方面，提供了一种基于多波长偏振激光雷达的生物气溶胶特性分析装置，包括有雷达收发控制单元、散光特征获取单元、特征向量构建单元、聚类分析处理单元、气溶胶类区分单元和浓度分布反演单元；
36、所述雷达收发控制单元，用于控制多波长偏振激光雷达向目标探测处发送多波长偏振激光，并通过所述多波长偏振激光雷达获取来自所述目标探测处的回波信号数据，其中，所述多波长偏振激光包括紫外激光、可见光激光和近红外激光，所述回波信号数据包括多个后向散射光的平行偏振分量强度信息和垂直偏振分量强度信息以及荧光的强度信息，所述多个后向散射光与所述多波长偏振激光中的可见光激光和近红外激光一一对应，所述荧光由所述紫外激光在所述目标探测处激发产生；
37、所述散光特征获取单元，通信连接所述雷达收发控制单元，用于针对在所述多个后向散射光中的各个后向散射光，基于对应的平行偏振分量强度信息和垂直偏振分量强度信息，计算得到对应的退偏比，并采用斜率法反演得到对应的消光系数；
38、所述特征向量构建单元，分别通信连接所述雷达收发控制单元和所述散光特征获取单元，用于基于所述各个后向散射光的退偏比和消光系数以及所述荧光的强度信息，构建得到所述目标探测处的多维度光学特征向量；
39、所述聚类分析处理单元，通信连接所述特征向量构建单元，用于基于多个不同所述目标探测处的多维度光学特征向量，采用高斯核密度聚类算法在特征空间中进行聚类分析以识别出至少一个聚类簇；
40、所述气溶胶类区分单元，通信连接所述聚类分析处理单元，用于基于所述聚类簇在所述特征空间中的位置，区分生物气溶胶与非生物气溶胶，并根据区分结果得到各个目标探测处的气溶胶类型标签；
41、所述浓度分布反演单元，通信连接所述气溶胶类区分单元，用于基于所述各个目标探测处的气溶胶类型标签和空间位置，反演得到生物气溶胶的浓度与分布状态并予以输出。
42、第三方面，提供了一种基于多波长偏振激光雷达的生物气溶胶特性分析系统，包括有多波长偏振激光雷达、控制与数据处理设备和显示设备；
43、所述多波长偏振激光雷达包括有激光发射模块、光学接收模块和信号探测与采集模块，其中，所述激光发射模块用于发送包括紫外激光、可见光激光和近红外激光的多波长偏振激光；所述光学接收模块用于接收与所述多波长偏振激光中的可见光激光和近红外激光一一对应的多个后向散射光和由所述紫外激光激发产生的荧光，并将所述多个后向散射光按波长分离，以及将各后向散射光分离为平行偏振分量和垂直偏振分量；所述信号探测与采集模块用于将分离后的各后向散射光的平行偏振分量、垂直偏振分量以及所述荧光分别转换为对应的电信号，并进行数字化采集，得到回波信号数据；
44、所述控制与数据处理设备，通信连接所述多波长偏振激光雷达，用于执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的生物气溶胶特性分析方法；
45、所述显示设备，通信连接所述控制与数据处理设备，用于输出并展示来自所述控制与数据处理设备的生物气溶胶的浓度与分布状态。
46、第四方面，本发明提供了一种计算机设备，包括有依次通信连接的存储模块、处理模块和收发模块，其中，所述存储模块用于存储计算机程序，所述收发模块用于收发消息，所述处理模块用于读取所述计算机程序，执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的生物气溶胶特性分析方法。
47、第五方面，本发明提供了一种计算机可读存储产品，所述计算机可读存储产品上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的生物气溶胶特性分析方法。
48、第六方面，本发明提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，所述计算机程序或所述指令在被计算机执行时实现如第一方面或第一方面中任意可能设计所述的生物气溶胶特性分析方法。
49、上述方案的有益效果：
50、（1）本发明创造性提供了一种通过控制多波长偏振激光雷达获取回波信号数据以进行生物气溶胶特性分析的新方案，即先控制多波长偏振激光雷达向目标探测处发送多波长偏振激光并获取回波信号数据，所述多波长偏振激光包括紫外激光、可见光激光和近红外激光，所述回波信号数据包括多个后向散射光的平行偏振分量强度信息和垂直偏振分量强度信息以及由紫外激光激发产生的荧光强度信息；针对各个后向散射光，基于对应的偏振分量强度信息计算退偏比，并采用斜率法反演消光系数；基于退偏比、消光系数和荧光强度信息构建多维度光学特征向量；基于多个目标探测处的多维度光学特征向量，采用高斯核密度聚类算法在特征空间中进行聚类分析以识别聚类簇；基于聚类簇在特征空间中的位置区分生物气溶胶与非生物气溶胶，并根据区分结果与各目标探测处的空间位置，反演得到生物气溶胶的浓度与分布状态并予以输出，如此通过将无监督聚类算法与多波长偏振探测技术相结合，无需依赖大量标记数据，即可实现对生物气溶胶的精准识别与分布状态反演，并具备自主发现未知气溶胶类型的能力，可广泛应用于公共卫生监测、环境气象预警和国防安全防控等场景；
51、（2）摆脱了对标记数据的依赖，通过采用无监督的高斯核密度聚类算法，可自主挖掘多维度光学特征在特征空间中的分布规律，无需预先获取大量已标记的气溶胶类型样本，解决了现有有监督学习方法数据获取困难、成本高昂的瓶颈问题；
52、（3）识别精度高且特异性强，通过结合可见光和近红外两个波长的偏振探测数据与荧光强度信息，构建多维度光学特征向量作为生物气溶胶的“光学指纹”，可有效区分同为非球形的生物气溶胶与非生物气溶胶，降低误报率；
53、（4）具备自主发现未知气溶胶类型的能力，能够在特征空间中识别出与所有已标记聚类簇距离均大于预设阈值的新聚类簇，并将其标记为未知类型气溶胶并触发报警，弥补了现有有监督学习方法仅能识别训练集中已有类别的固有缺陷；
54、（5）泛化能力强且普适性好，无需针对特定地区或特定场景训练模型，可自适应不同地理环境和气象条件下的气溶胶光学特性变化；
55、（6）不仅能识别生物气溶胶的存在，还能通过将类型标签与目标探测处的空间位置和消光系数进行关联，反演得到生物气溶胶的浓度与空间分布状态，弥补了现有技术仅关注粒子数目而忽略分布状态的缺陷，为风险评估与预警决策提供更全面的信息；
56、（7）通过将聚类分析与多波长偏振探测相结合，无需在系统中增设复杂的荧光光谱分析设备，仅需探测荧光强度信息即可满足算法需求，简化了系统结构并降低了成本，同时避免了荧光光谱比对方法在白天因强背景光干扰而导致的探测性能下降问题，可实现全天时连续监测，便于实际应用和推广。