基于Clidar的气溶胶散射系数反演及Monte Carlo仿真

发布时间：2020-04-08 00:38

【摘要】：大气气溶胶对阳光的作用会严重影响地球的大气环境,侧向激光雷达在大气气溶胶实验探测方面具有明显的优势。随着计算机的发展,Monte Carlo(蒙特卡罗)方法不断的用于对激光大气探测的仿真模拟分析中,且相比传统分析具有更大的优势,因此结合二者的优势对大气气溶胶进行实验与仿真分析具有很大的意义。本文搭建了基于电耦合器件(CCD)的侧向散射激光雷达系统(Clidar系统)的装置,对气溶胶散射系数曲线进行了实验反演,并基于Monte Carlo方法对该系统进行了仿真与分析,具体研究如下:(1)介绍了研究大气气溶胶的意义,阐述了激光雷达和Monte Carlo方法在气溶胶研究方面的优势,详细的介绍了 Monte Carlo在激光探测方面的国内外研究现状。(2)介绍了激光在大气中的传输理论基础包括大气的组成成分,高斯光束的在介质中传播特性以及主要的物理参数,激光在大气中的传输特性,以及激光与大气的三种散射,侧重的介绍了单个球形粒子对激光的Mie散射的理论基础;重点的介绍了 Monte Carlo的理论,包括Monte Carlo的思想和应用,几种Monte Carlo应用方法,以及几种仿真中用到的相函数和Monte Carlo方法的优缺点。(3)根据米散射理论和激光传输方程,得到了基于Clidar侧向散射回波信号图进行反演散射系数曲线的方法。搭建了以波长为532 nm的激光器为光源,CCD为接收器的Clidar实验装置;描绘了能见度不同的三天的光强曲线和反演的散射系数曲线。从实验结果得到,当能见度增加时,光强减小,光强的空间分布较为均匀,光强曲线斜率变小。散射系数曲线则随着能见度的增大尾部上翘程度减小,说明大角度的散射角占比较少。推导并发现了消光系数与总光强之间存在一定的线性关系,提出了一种测量能见度的方式。经过与预报能见度对比,测量结果误差在可接收范围内。(4)针对Clidar系统建立了基于Monte Carlo方法的侧向散射理论模型,研究了多次散射条件下,大气气溶胶对激光雷达光束的侧向散射机制。通过对仿真和实验所得到的曲线进行对比,证实了该Monte Carlo方法理论模型模拟侧向散射激光雷达散射机制的可行性。利用该模型对比对了不同能见度条件下,仿真与实验获取的散射系数曲线,仿真与实验的相关程度超过95%,二者具有较强的一致性,并发现随着能见度的增大散射系数曲线整体下降且能见度越低时散射系数曲线的尾部更为上翘。针对平均散射因子μs和非对称因子g进行了研究。在仿真过程中g分别取0.1,0.3,0.5,0.7,0.9并进行散射系数曲线的仿真,发现g会影响散射曲线的尾部上翘程度;固定g令μs从0.35到0.8按照0.05的步长取值,仿真结果发现从与光子检测器上的光子总能量呈现线性的关系。仿真总体说明了模型中μs和g等关键参数与大气条件存在密切关系。
【图文】：

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图１．１偏振器件的单稳态激光雷达中多重散射介质返回的角度依赖性的求解模型逡逑２０１５年，Ｊａｅ－Ｉｈｎ邋Ｋｉｍ等人利用Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ方法，建立了邋Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ水中传输模型以逡逑及仿真流程，分别如图１．２（ａ）、（ｂ）所示。对高斯光束水下传播进行了仿真，并给出了仿真结逡逑果。以此描述了高斯光束在水介质中的辐射传输，给出了基本的传输特性。仿真描绘了初逡逑始高斯光束的能量重新分配，显示了光束传播行为对海洋水的固有光学性质的依赖性［２１］。逡逑其建立模型的过程，值得借鉴。逡逑［６＊ｒｘ？ｒ？ｔｔ邋ｐｈｏｔｏｎ邋Ｕ－．．丨＿邋丨逦．■■■＂＿．．…■逡逑逦＾逦逡逑ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ邋ｍｅｄｉｕｍ逦Ｉｆｔｉｔ＇ａｉｉｕｉｉｏｎ逡逑？ｎｄ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）逡逑Ｙ逦／逦二邋』，逡逑／逦ｆｅｏｒｒｔｅｔｆｉｃ邋逦逡逑“逦／逦ｐ＊ｔｔｉ邋ｋｊｎｆ邋ｔｈ，邋＊逡逑？邋逦？．．．邋、逡逑＼逦、逦｜、＾ｅｔｅｃｔｏｒｇｒｌｄ逦Ｉ逡逑Ｑ逦＇逦｜逦；逦７逦ｉ逦ｉｎ邋ｄｅｔｅａｏｆ逡逑逦＼＇逦．．．逦＿４逡逑逦｜逦ｊ邋0＞ｗ＼Ｘ邋ｐｈｏｔｏｎ邋ｊ逦ＵｉｘＵｉｅ逡逑ｓｏｕｒｃｅ逡逑＇！邋．邋、邋Ｎ逡逑、邋、＇、邋逦逡逑￥逡逑＜逦．．．．．．逦逦＞逦逦逦｜ｒｆ？ｏｔｏ？７逦逦逦逦逡逑ｚ？逦＞Ｑｇ逡逑图１．２邋Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒ丨ｏ水中传输模型以及仿真流程逡逑同年，Ｍｉｔｃｌｉｅｌ丨Ａ．邋Ｄａｖｉｓ等人设计了一种处理单次散射和多次散射之间的动态光散射的逡逑Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ方法
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958.98

【参考文献】

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本文编号：2618624