双扫描激光雷达气溶胶探测结果的不确定度分析及算法优化
发布时间：2022-01-02 07:08
基于双扫描激光雷达的气溶胶探测方法可实现低层大气水平非均匀气溶胶光学特性的精细探测,它以扫描激光雷达为遥感探测工具,结合双激光雷达相向交叉扫描探测工作模式,对交叉扫描区域进行坐标化和网格化处理,利用双扫描激光雷达方程组求解消光系数和后向散射系数双未知量,从而实现对同一区域近地表气溶胶全视野剖面的交叉探测。本文从影响双扫描激光雷达气溶胶探测结果的不确定度来源入手,分别分析了激光雷达系统配置和探测方法所引起的系统误差,以及数据反演算法对气溶胶反演结果所产生的不确定度,重点针对反演算法中的不确定度开展算法优化研究。针对网格分辨率对数据反演精度的影响,综合考虑像素单元要素和光斑直径,提出优化方案确定合理的网格分辨参数;针对S函数估算中需要高精度的相对系统常数,利用多角度方法并综合考虑激光雷达比确定系统常数;针对大气光学厚度的积分计算公式,构建网格像素单元光学路径库的优化计算方案,提出消光系数矩阵和光学路径矩阵相乘的思想提高光学厚度的计算效率;针对双未知量的求解,提出利用Monte Carlo方法在整个扫描区域的收敛性精确估算大气消光和后向散射系数双未知参量。为验证该优化算法的可行性,本文选用长...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
扫描激光雷达系统结构示意图
叉扫描探测工作模式，可实现对同一空域内的近地表气溶胶全视野剖 是双扫描激光雷达的气溶胶探测模型，两台探测性能一致的扫描激光Lidar-2 分别设置在探测区域的两端（距离 D），并进行相应的扫描参开始，两台扫描激光雷达同时对探测区域施行从地表到目标探测高度【29】，则此时双激光雷达方程的 S 函数可分别表示为：121 1 1 1 1 1 1 1 102 2 2 2 2 2 2 2 20( , ) ln ( , ) 2 ( , )d( , ) ln ( , ) 2 ( , )drrS r c r r rS r c r r r 激光雷达性能一致，即 c1=c2，α和β分别为未知的大气光学参量—消数。大气湍流的存在会使得大气中的水汽和污染物在垂直和水平方向，表现在图 2-2 中，即为两台激光雷达探测同一点 A 所得回波信号需要科学合理的配置扫描参数，使得整个扫描过程在大气湍流时间尺引起的大气微小变化在误差允许范围内，可认为同一探测点处，双方相同，即方程可解，从理论上分析该探测方法是可行的。
双扫描激光雷达气溶胶探测结果的影响因素分析 的探测距离和扫描角度表达式如下：112221r r d 2 cos d r2122sinsinrr 描区域方程组未知参量时，需要已知每一个探测点所在的探测距离 r 和扫描探测点的水平垂直方向相邻探测点大气状态信息之间没有很明确的关系，这气光学参量求解过程更为复杂，降低了计算的效率。简化大气光学参量的求解，对整个交叉描扫区域进行笛卡尔坐标化和网格雷达气溶胶探测模型如图 2-3 所示。扫描区域中的每一个探测点可用坐标)表示，选用网格分辨率为 d 的正方形进行划分，很明显可以得到 Lidar-1 和点关于两台雷达水平距离中垂线对称，将方程组中的变量(r, θ)转化为(x, 算的复杂度和运算量，图 2-3 为双扫描激光雷达气溶胶反演模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间方差构建在激光雷达光子计数数据堆栈修正中的应用[J]. 高飞,李松辉,李婉婉,汪丽,辛文辉,华灯鑫. 光学学报. 2016(05)
[2]蒙特卡洛方法在仿真中的应用[J]. 吴维元. 电脑编程技巧与维护. 2014(10)
[3]基于碘分子滤波器的高光谱分辨率激光雷达原理[J]. 刘金涛,陈卫标,宋小全. 光学学报. 2010(06)
[4]小型米散射激光雷达的研制及其探测[J]. 毛建东,华灯鑫,何廷尧. 光子学报. 2010(02)
[5]ARL-1 Raman激光雷达系统探测大气二氧化碳[J]. 胡顺星,赵培涛,汪少林,曹开法,方欣,范广强,王敏,赵博,胡欢陵,王英俭. 大气与环境光学学报. 2009(06)
[6]信号延时叠加提高激光雷达探测信噪比[J]. 姜海娇,来建成,王春勇,卞保民,李振华. 光子学报. 2009(08)
[7]云的多次散射对激光雷达测量结果影响的研究[J]. 李颖颖,孙东松,王珍珠,沈法华,周小林,董晶晶. 激光技术. 2008(06)
[8]光束品质因子M2对非同轴激光雷达探测性能的影响[J]. 高飞,华灯鑫,吴敏,毛建东,周毅. 光学学报. 2008(09)
[9]大气气溶胶光学参数的高光谱分辨率激光雷达探测研究[J]. 宋小全,郭金家,闫召爱,张凯临,李志刚,刘智深. 自然科学进展. 2008(09)
[10]离轴二极管泵浦固体激光雷达系统设计与装校[J]. 戴丽莉,丁红星,孙东松. 半导体光电. 2008(04)
博士论文
[1]武汉上空对流层大气气溶胶Raman/Mie激光雷达探测研究[D]. 张金业.武汉大学 2010
硕士论文
[1]激光雷达数据反演气溶胶后向散射比研究[D]. 靳磊.中国海洋大学 2013
[2]激光雷达精细探测大气气溶胶研究[D]. 高飞.西安理工大学 2008
本文编号：3563720
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
扫描激光雷达系统结构示意图
叉扫描探测工作模式，可实现对同一空域内的近地表气溶胶全视野剖 是双扫描激光雷达的气溶胶探测模型，两台探测性能一致的扫描激光Lidar-2 分别设置在探测区域的两端（距离 D），并进行相应的扫描参开始，两台扫描激光雷达同时对探测区域施行从地表到目标探测高度【29】，则此时双激光雷达方程的 S 函数可分别表示为：121 1 1 1 1 1 1 1 102 2 2 2 2 2 2 2 20( , ) ln ( , ) 2 ( , )d( , ) ln ( , ) 2 ( , )drrS r c r r rS r c r r r 激光雷达性能一致，即 c1=c2，α和β分别为未知的大气光学参量—消数。大气湍流的存在会使得大气中的水汽和污染物在垂直和水平方向，表现在图 2-2 中，即为两台激光雷达探测同一点 A 所得回波信号需要科学合理的配置扫描参数，使得整个扫描过程在大气湍流时间尺引起的大气微小变化在误差允许范围内，可认为同一探测点处，双方相同，即方程可解，从理论上分析该探测方法是可行的。
双扫描激光雷达气溶胶探测结果的影响因素分析 的探测距离和扫描角度表达式如下：112221r r d 2 cos d r2122sinsinrr 描区域方程组未知参量时，需要已知每一个探测点所在的探测距离 r 和扫描探测点的水平垂直方向相邻探测点大气状态信息之间没有很明确的关系，这气光学参量求解过程更为复杂，降低了计算的效率。简化大气光学参量的求解，对整个交叉描扫区域进行笛卡尔坐标化和网格雷达气溶胶探测模型如图 2-3 所示。扫描区域中的每一个探测点可用坐标)表示，选用网格分辨率为 d 的正方形进行划分，很明显可以得到 Lidar-1 和点关于两台雷达水平距离中垂线对称，将方程组中的变量(r, θ)转化为(x, 算的复杂度和运算量，图 2-3 为双扫描激光雷达气溶胶反演模型。
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间方差构建在激光雷达光子计数数据堆栈修正中的应用[J]. 高飞,李松辉,李婉婉,汪丽,辛文辉,华灯鑫. 光学学报. 2016(05)
[2]蒙特卡洛方法在仿真中的应用[J]. 吴维元. 电脑编程技巧与维护. 2014(10)
[3]基于碘分子滤波器的高光谱分辨率激光雷达原理[J]. 刘金涛,陈卫标,宋小全. 光学学报. 2010(06)
[4]小型米散射激光雷达的研制及其探测[J]. 毛建东,华灯鑫,何廷尧. 光子学报. 2010(02)
[5]ARL-1 Raman激光雷达系统探测大气二氧化碳[J]. 胡顺星,赵培涛,汪少林,曹开法,方欣,范广强,王敏,赵博,胡欢陵,王英俭. 大气与环境光学学报. 2009(06)
[6]信号延时叠加提高激光雷达探测信噪比[J]. 姜海娇,来建成,王春勇,卞保民,李振华. 光子学报. 2009(08)
[7]云的多次散射对激光雷达测量结果影响的研究[J]. 李颖颖,孙东松,王珍珠,沈法华,周小林,董晶晶. 激光技术. 2008(06)
[8]光束品质因子M2对非同轴激光雷达探测性能的影响[J]. 高飞,华灯鑫,吴敏,毛建东,周毅. 光学学报. 2008(09)
[9]大气气溶胶光学参数的高光谱分辨率激光雷达探测研究[J]. 宋小全,郭金家,闫召爱,张凯临,李志刚,刘智深. 自然科学进展. 2008(09)
[10]离轴二极管泵浦固体激光雷达系统设计与装校[J]. 戴丽莉,丁红星,孙东松. 半导体光电. 2008(04)
博士论文
[1]武汉上空对流层大气气溶胶Raman/Mie激光雷达探测研究[D]. 张金业.武汉大学 2010
硕士论文
[1]激光雷达数据反演气溶胶后向散射比研究[D]. 靳磊.中国海洋大学 2013
[2]激光雷达精细探测大气气溶胶研究[D]. 高飞.西安理工大学 2008
本文编号：3563720
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