面向工程化应用的大气折射角调用方法及系统

本发明涉及大气折射角测量，具体涉及一种面向工程化应用的大气折射角调用方法及系统。

背景技术：

1、大气折射是光线在穿过地球大气层时，因为空气密度不均匀而发生的弯曲现象。大气折射的工程化应用，既消除大气带来的测量误差，提升导航、遥感、雷达、光电系统的精度与可靠性，又能反向利用折射效应反演大气参数，支撑气象预报与环境监测。对工程建设、交通出行、科学研究等都具有重要现实价值。

2、当前，针对大气折射研究的相关技术，存在方方面面的问题：

3、1）精度与速度失衡：高精度方法计算耗时久，无法实时应用；快速模型精度不足，难以支撑光电系统探测精度、特征提取精度的评估需求；

4、2）区域适配性差：通用模型基于全球平均数据构建，未贴合特定典型区域的实测大气特性，一旦应用到特定区域，折射计算误差超出工程允许范围；

5、3）拟合精度低、稳定性差：传统拟合模型角度区间划分粗糙，未对观测参数归一化处理，易因参数量级差异引入拟合误差，且无实测数据迭代校正机制，模型稳定性不足；

6、4）工程化适配能力弱：现有方法缺乏适配常见系统或者平台（如国产麒麟系统、dsp嵌入式平台等）的工程化实现方案，无法生成动态链接库完成实时数据交互，难以落地应用于国产光电设备。

7、基于此，亟须提出一种效率更高、精度更高的大气折射工程化应用方案，以至少解决上述背景技术中提到的一个或者多个技术问题。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向工程化应用的大气折射角调用方法及系统，至少解决了现有大气折射角调用技术存在精度与速度失衡导致工程化应用难的问题。

3、（二）技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、第一方面，本技术首先提出一种面向工程化应用的大气折射角调用方法，所述方法包括：

6、基于多源异构气象数据构建典型区域的精细化大气场，并基于所述精细化大气场获取任意大气参数廓线；

7、基于高程分层的方式将所述大气参数廓线与全谱段椭球大气折射率模型耦合，获取大气椭球模型各网格点的全谱段大气折射系数，并基于所述全谱段大气折射系数构建大气折射角查找表；

8、基于所述大气折射角查找表，通过多项式拟合获取大气折射角的快速解析模型，基于所述快速解析模型调用大气折射角。

9、在一个实施例中，所述多源异构气象数据包括：地基探空数据、再分析数据，以及实测近地面数据。

10、在一个实施例中，基于多源异构气象数据构建典型区域的精细化大气场，并基于所述精细化大气场获取任意大气参数廓线，包括：

11、对多源异构气象数据进行预处理；所述预处理包括：对多源异构气象数据进行时空匹配；基于气象热力学关系将相对湿度换算为实际水汽压；利用样条函数、拉格朗日插值对多源异构气象数据进行离散数据插值补全；

12、基于预处理后的多源异构气象数据构建典型区域精细化大气场，基于所述精细化大气场获取任意大气参数廓线。

13、在一个实施例中，所述大气椭球模型包括wgs84地球椭球模型。

14、在一个实施例中，基于所述全谱段大气折射系数构建大气折射角查找表，包括：

15、基于各网格点的全谱段大气折射系数，结合斯涅尔定律、矢量夹角关系求解大气偏折角；

16、获取全部高度与俯仰角组合所对应的大气偏折角，并采用差异化分辨率分层存储，构建大气折射角查找表。

17、在一个实施例中，所述多项式包括二元二次耦合多项式。

18、优选的，所述快速解析模型用公式表示为：

19、

20、

21、其中，表示大气折射角计算结果；表示多项式拟合常数项系数；表示观测角度一次项拟合系数；表示大气高度参量一次项拟合系数；表示观测角度二次项拟合系数；表示观测角度与大气高度交叉耦合项拟合系数；表示大气高度参量二次项拟合系数；表示归一化观测天顶角度；表示归一化大气廓线高度参数。

22、更为优选的，将所述观测天顶角度切分为若干个精细区间，且在每个区间内部对角度、高度做归一化缩放，并针对每个区间单独训练二元二次多项式进行拟合，得到每套区间对应的拟合系数。

23、优选的，精细区间数量为12。

24、在一个实施例中，所述方法还包括：

25、定期引入最新实测大气数据，重新拟合多项式系数，迭代优化模型。

26、在一个实施例中，所述方法还包括：

27、基于所述方法生成适配不同硬件环境的动态链接库。

28、第二方面，本技术还提出了一种面向工程化应用的大气折射角调用系统，所述系统包括：

29、大气参数廓线获取模块，被配置为基于多源异构气象数据构建典型区域的精细化大气场，并基于所述精细化大气场获取任意大气参数廓线；所述多源异构气象数据包括地基探空数据、再分析数据以及实测近地面数据；

30、大气折射角查找表构建模块，被配置为基于高程分层的方式将所述大气参数廓线与全谱段椭球大气折射率模型耦合，获取大气椭球模型各网格点的全谱段大气折射系数，并基于所述全谱段大气折射系数构建大气折射角查找表；

31、快速解析模型获取模块，被配置为基于所述大气折射角查找表，通过多项式拟合获取大气折射角的快速解析模型，基于所述快速解析模型调用大气折射角。

32、（三）有益效果

33、本发明提供了一种面向工程化应用的大气折射角调用方法及系统。与现有技术相比，具备以下有益效果：

34、1.本技术提出的一种面向工程化应用的大气折射角调用方法，通过实测数据驱动、精细化拟合，有效解决了现有大气折射角选择相关技术精度与速度失衡、区域适配差、工程化落地难的问题，精度满足光电系统工程指标、速度适配实时运算需求、适配国产平台易落地，可广泛应用于光电探测、天文观测、通信链路设计等领域，工程应用价值显著。

35、2.本技术基于igra探空数据、era5再分析数据、近地面实测气象数据等多源异构气象数据，同时选取涵盖主流大气环境的典型区域，构建精细化大气场，多源异构气象数据优势互补、分层支撑，分别负责垂直真值锚定、全域连续背景、近地面精细校准，共同搭建完整、高精度、时空连续、分区域、分层的典型区域的精细化大气折射率三维场，基于该精细化大气场可生成任意时刻、任意高度大气参数廓线，精度更高。

36、3.本技术采用分段拟合及其迭代优化方案，以拟合公式输出的大气折射角计算值与实测大气折射真值之间的残差大小作为判定依据，反复调试、划分观测角度子区间边界，降低了不同视场区域拟合精度的巨大差异，精度更高，更符合天文观测、光电探测系统实时高精度校正要求。

37、4.本技术全区间沿用统一二元二次多项式结构，一方面，能够极大简化软件与嵌入式工程实现逻辑，省去多模型分支跳转带来的时间损耗，还可保障相邻分段衔接位置折射计算数值平滑过渡，杜绝模型切换引发的指向角误差突变，保障光电设备连续跟踪观测的平稳性；另一方面，统一模型使得各分段拟合残差具备横向对比标准，能够依托计算值与实测真值的误差比对持续迭代调整观测角度区间边界，同时固定阶次的模型约束可以有效规避过拟合问题，提升整套算法在不同天文台站、多变气象条件下的环境适应性与数值鲁棒性。