基于多次散射的机载云激光雷达原理设计与性能仿真

发布时间：2020-11-21 16:54

　　云在地球大气的水循环系统中起着必不可少的作用,若能正确探测云的宏观和微观物理特性,有助于通过人工影响天气,减弱甚至消除极端天气现象。目前机载仪器入云直接探测云特性方式存在威胁飞航安全的问题,而地基微波间接遥感探测云特性方式的测量精度普遍较低,因此,有必要发展机载激光雷达云特性探测技术,以提高测量的时空分辨率,同时消除飞航安全的隐患。本文基于现有气溶胶散射型激光雷达技术为基础,研究适用于云特性探测的机载激光雷达技术,重点研究多次散射条件下,对散射型激光雷达性能的影响,以推动我国机载激光雷达和人工影响天气领域的研究进程。论文基于球形粒子的米散射理论,分析了多次散射对球形粒子散射光学特性的影响规律,提出并设计了近红外波段机载偏振云激光雷达的原理设计,并仿真分析了系统探测性能。首先,从单个球型粒子模型出发,分析了粒子光学特性参数与粒子尺度参数的关系,表明了激光束与云雾粒子作用时,可忽略大气分子、小的气溶胶粒子对激光的散射作用。为提高激光雷达探测云粒子的精度,仿真分析了多次散射对大气激光雷达回波信号的影响,分别研究了激励波长,望远镜接收视场角,云粒子数密度对多次散射比的影响,并基于Klett法分别求解单次散射和多次散射激光雷达方程,分析了多次散射条件下云粒子消光系数和散射系数的影响规律,即约是单次散射的2～3倍。为提高偏振云激光雷达探测距离,更加有效地探测云中粒子分布,提出了利用机载近红外偏振激光雷达探测云粒子特性的方案,利用非球形粒子的退偏振理论甄别云粒子相态,同时结合机载温度传感器和粒子测量系统,以反演云粒子特性的空间分布,并设计了一种外挂式的光纤导光机载偏振激光雷达系统,以降低探测盲区,并改善探测距离。创建了云激光雷达分析模型,当云内消光系数为3.91 km-1时,在探测距离为1km处,采用1550nm激励源时的信噪比分别约为200和1000,而采用1064nm激励源时的信噪比分别约为100和1000,分析结果表明,激励波长1550nm在云粒子特性探测方面具有一定优势,且多次散射分析对于探测云粒子特性具有重要意义,验证了所设计激光雷达系统探测云粒子特性的可行性。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN958.98
【文章目录】：
摘要
Abstract
1.绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 地基测量方式
        1.2.2 星载测量方式
        1.2.3 机载测量方式
    1.3 主要的研究内容
2.云粒子的散射特性研究
    2.1 引言
    2.2 云雾粒子分类
    2.3 理论基础
        2.3.1 米散射理论
        2.3.2 退偏振理论
    2.4 典型云粒子的光学特性
        2.4.1 典型云粒子的吸收和散射特性
        2.4.2 云粒子的散射相函数
        2.4.3 云粒子的散射光强
    2.5 本章小结
3.机载偏振激光雷达原理设计
    3.1 引言
    3.2 原理设计
    3.3 系统反演模型
    3.4 系统重叠因子
    3.5 云含水量反演方法
    3.6 本章小结
4.多次散射激光雷达方程反演
    4.1 引言
    4.2 多次散射理论
    4.3 多次散射模型
    4.4 散射相函数选取
    4.5 模型求解及仿真分析
    4.6 多次散射激光雷达方程
        4.6.1 云底和云顶确定
        4.6.2 多次散射因子
        4.6.3 激光雷达方程求解
    4.7 本章小结
5.偏振激光雷达系统探测性能仿真
    5.1 单次米散射条件
    5.2 不同能见度条件
    5.3 已知云粒子谱
    5.4 考虑多次散射情况
    5.5 本章小结
6.总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
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【参考文献】

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