星载激光雷达辐射传输蒙特卡罗模拟

发布时间：2020-08-24 13:27

【摘要】：激光雷达是一种主动式的遥感探测技术,综合了激光技术和雷达技术的优势,除了具有激光光束的高亮度性、高单色性和高相干性的特点,还兼顾了雷达的远距离探测能力。星载激光雷达是激光雷达搭载在卫星上,由于轨道高度高,测量范围广泛,可以提供全球分布的探测数据,激光光束从高空直接进入大气层中,可以获取高品质的测量数据。了解激光雷达光源的辐射性能,对激光光束特性进行评估,分析激光光束在大气中的传输,可以为激光雷达测量和探测起到指导作用。研究激光光束与传输介质之间的相互作用,主要是通过对传输介质光学性质的研究,揭示激光光束的传输特性和规律。论文首先以GLAS系统等为例介绍了激光雷达的组成结构和工作原理,调研了激光雷达传输国内外研究现状,描述了辐射传输相关的理论和大气介质特性,然后使用蒙特卡罗方法模拟了激光发射系统、激光传输过程以及激光回波信号的接收,建立了一个星载激光雷达辐射传输模型(MCSbLRT),可以用来模拟激光雷达回波信号的接收,为星载激光雷达的使用提供参考。论文的主要工作如下:1.研究了星载激光雷达的工作原理和激光在大气中的传输特点,利用蒙特卡罗方法建立了合适的星载激光雷达辐射传输算法;分析了蒙特卡罗方法模拟星载激光雷达辐射传输可能存在的问题,并对局部估计方法和俄罗斯轮盘赌技术方法进行了改进,提高了信号接收效率,缩减了方差;2.运用了科学的软件研发方式建立了星载激光雷达辐射传输模型(MCSbLRT);3.运用VC++语言,编写了友好的可视化软件界面,使软件功能及所需参数更加直观,使用起来的十分便捷;4.利用OPAC软件获取了模拟过程中需要的气溶胶和云粒子的吸收系数、消光系数、散射系数、单次散射反照率和不对称因子等光学参数,并按照气溶胶的光学参数随高度变化的公式求解出0-1Okm高度上的光学参数;为了能够详细的描述相对湿度对可见光到红外波段的气溶胶粒子光学参数的影响,在0.40um到18um(可见光到红外波段)之间,选取49个波长,计算了 WASO(可溶性气溶胶)、SSAM(海盐性气溶胶)、SSCM、SUSO(硫酸盐)四类气溶胶在8个(0%、50%、70%、80%、90%、95%、98%、99%)相对湿度条件下的小尺度范围内球形粒子的散射特征参数,包括消光系数、吸收系数、散射系数、不对称因子和单次散射反照率。5.利用建立的星载激光雷达辐射传输模型(MCSbLRT)进行了激光雷达传输影响因素分析,发现随着气溶胶单次散射反照率增大接收到的回波信号越来越多；激光雷达的散射能量主要集中在单次散射;同种大气条件下,模拟光子数的增加与模拟时间基本成线性关系;6.利用建立的星载激光雷达辐射传输模型(MCSbLRT)进行了模拟计算,通过设置不同的气溶胶单次散射反照率、接收器位置等,得到不同的模拟结果,分析了各项参数对激光雷达传输结果的影响;7.基于电磁散射与辐射传输中的基本理论,对单次散射相函数的解析表达式进行了研究,提出了一种新的单次散射相函数解析表达式。新的散射相函数在描述球形粒子散射情况时,对于大角度(大于90°)后向散射,新的相函数与Mie散射相函数均方根差较小的占73.3%,高于Henyey-Greenstein*相函数的26.7%;同时分析了该解析式在非球形粒子散射中的应用,并与T矩阵法的计算结果进行了对比,对于椭球形粒子和有限长圆柱形粒子,在大角度(大于90°)后向散射部分,除了 0.694um时的椭球形海洋性气溶胶,新的相函数均方根差较小的占100%,证明了新的相函数可以较好的模拟非球形粒子的后向散射特征。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958.98
【图文】：

激光测高,测高,地球

图１．１激光测高的概念逡逑高系统ＧＬＡＳ逡逑Ｓａｔ上搭载了地球测高体系ＧＬＡＳ，主要用于观测极地的和大气云层数据等。该激光雷达的运行轨道为６０（Ｕｍ的周期为８（＾ＧＬＡＳ测高系统搭载的激光器是半导体抽运逡逑延长ＧＬＡＳ测高系统的工作时间，系统同时搭载了邋３台正常探测状态下只使用其中的一台，其余的两台做为备用过激光器调Ｑ技术使得激光光束的峰值能量较高，且需。ＧＬＡＳ的详细参数如下表１．１所示。逡逑星在近似圆形的轨道上进行探测活动。２００９年１０月，卫正式停止了探测。２０１０年２月，ＮＡＳＡ正式宣布ＩＣＥｓａｔ，停止工作（ＺＷＡＬＬＹＡ邋Ｈ邋Ｊ．邋ｅｔ邋ａｌ．，２００２；邋ＵＲＢＡＮ邋Ｔ邋Ｊ．邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００８）。逡逑

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３台激光器的波长不同，相互之间存在着一定的差异，测量过程中有微小的逡逑变化，为了使３台激光器都可以正常工作，在自由光谱范围内对滤波系统的标准逡逑具进行调节。ＧＬＡＳ的结构如图１．２所示。仪器工作的能量来自于太阳能，为了逡逑太阳能板获取太阳能量的最大化，设计了两种飞行模式，即飞机模型和帆船模式。逡逑设地球为椭圆，图中坐标方向的意义如下：ｘ轴与飞机模式的速度方向相逡逑同，ｙ轴沿帆船模式下的速度方向，ｚ轴方向垂直于地球与测地学天底方向，且逡逑存在邋０．３°邋的偏差（ＢＥＡＴＡ邋Ｍ邋Ｃ．邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１４）。逡逑ＧＬＡＳ的使用寿命为７年，在此期间进行了邋１５次测量活动，每次测量活动逡逑的周期是３３天。探测的内容主要分为三个部分：一、海冰厚度和冰盖高程，冰逡逑盖的收缩和扩展；二、植被高度和陆地生物量；三、支持其他交叉学科的研宄。逡逑利用观测数据研究了冰盖物质平衡和海平面上升的原因，得到了冰盖变化的积累逡逑率以及影响排冰量的因素。逡逑４逡逑

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干涉滤光片去除背景噪声后被探测器直接接收。与此同时，每个信号检测通道中逡逑都安装了双重数字转化器，动态检测范围为２２况？，保证了云和分子散射信号都逡逑能过被顺利被接收。ＣＡＬＩＯＰ光路示意图如下图１．３所示。图１．４为ＣＡＬＩＰＳＯ卫逡逑星载荷示意图。逡逑十涉滤光片逦＿＿逡逑＾逦Ｄ逦－邋１０６４ｎｍ逡逑ｍ邋ｍｍ邋＼ｉｍｍ邋￣￣逡逑姑邋／逦；！ｊ逦０邋Ｃｊｐ邋＾邋５３２ｎｍ邋／／逡逑Ｍ标准具逡逑Ｊ邋＼邋ｆｔ邋／逦ｘ■—５３２ｎｍ邋N逡逑丁逦奸灥器逡逑接收望远镜逡逑图１．３邋ＣＡＬＩＯＰ系统示意图逡逑删板逡逑望远镜酿＼逦岕板连接件逡逑|`镜视、辐射计逡逑接收《元件逡逑■控制器、＼灥V逡逑灥置大翻机逡逑图１．４邋ＣＡＬＩＰＳＯ载荷分布示意图逡逑６逡逑

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