激光雷达探测水云退偏振比的敏感性研究

利用激光雷达探测水云微物理特性时，雷达回波信号中会出现退偏振信息，这是由激光与云层的多次散射造成的，利用这些退偏振信息可以反演云层特性。利用半解析蒙特卡罗方法研究了波长为0.532m激光雷达后向散射退偏振比对云底高度、云滴大小以及消光系数的敏感性。计算结果表明，对于相同的接收视场角，激光雷达与云层的距离越远，退偏振比越高；消光系数越大，退偏振比越大；雷达接收视场角越大，被接收器捕获的多次散射信息越多，因此退偏振比越大。当穿透深度较小时，云滴尺寸较小的云层退偏比更高，随着穿透深度的增加，云滴尺寸更大的云层退偏振比更大。     

蒙特卡罗方法模拟多层离散随机介质对偏振激光雷达的多次散射

利用蒙特卡罗方法模拟了多层离散随机介质对激光的偏振多次散射,结合激光雷达的特点,给出了半解析蒙特卡罗模拟方法的具体模拟步骤,考虑了光子在随机游走时,跨越分界层时引起的自由程调整,根据Mie散射相函数对不同介质层进行了散射方向抽样,利用该方法计算了双层和三层水云的雷达多次散射去极化率随穿透深度的变化。从计算结果可以看出,随着穿透深度的增加,雷达去极化率增强,激光在从一种介质入射到另一种介质时,其去极化率增加的速度不同,分析了粒子有效半径、单次散射相函数以及消光系数对雷达去极化率的影响。该方法可以应用于偏振激光雷达对非各向同性云层或气溶胶微物理和光学特性的遥感反演。     

云的多次散射对激光雷达测量结果影响的研究

为了更加准确地获得大气消光系数和后向散射系数,利用半解析Monte Carlo方法对云的大气多次散射激光雷达回波信号进行了模拟计算。分析了激光雷达接收视场角及光学厚度对多次散射回波信号的影响及水云和卷云多次散射因子与光学厚度的关系。激光雷达测量数据的对比结果表明,多次散射对卷云和水云消光系数影响较明显,而对后向散射系数的影响可以忽略。     

海洋激光雷达测量水体剖面偏振信号的仿真模拟

基于蒙特卡洛模拟方法,建立了一个水中激光偏振辐射传输模型,用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波,分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层,其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m3、1 mg/m3和10 mg/m3。模拟了激光发射波长为532 nm,接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号,并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明,由于激光在水中的多次散射过程,随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大,激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低,导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例,中浓度散射层情况下,在散射层上（0~10 m）、散射层中（10~30 m）和散射层下（30~40 m）的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%;在散射层中,低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时,退偏振比相对误差逐渐增大,在中浓度散射层情况下,其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明,偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时,由于多次散射过程的影响,传统的退偏振比算法会引入较大误差,有必要在反演算法中对其进行校正,以提高激光雷达的探测精度。     

多次散射的激光雷达消光系数反演方法研究

给出了在考虑多次散射时大气消光系数、后向散射系数的激光雷达反演方法.用半解析Monte-Carlo方法对大气多次散射激光雷达回波信号进行了模拟计算.讨论了激光雷达接收视场角(FOV)以及光学厚度对多次散射回波信号的影响.米散射激光雷达测量数据反演的结果表明,在反演含有云、雾等大气消光系数廓线分布时,需要考虑大气粒子的多次散射效应的影响.     

多普勒激光雷达回波信号的蒙特卡罗模拟

为了研究光在复杂几何形状和非均匀介质,尤其是激光在大气中的多次散射传输问题,采用半解析蒙特卡罗方法,对不同气象条件和系统参量下的激光雷达回波信号进行了数值模拟,得到了相对回波信号随时间变化的分布曲线,并分析了接收机视场角对回波信号的影响。结果表明,当接收视场角较小时,回波信号曲线与单次散射曲线近似重合,随着接收视场角的增大,单次散射作用减弱,多次散射作用增强。     

多次散射激光雷达接收信号的模拟

MonteCarlo方法模拟多次散射激光雷达接收信号是一种经典方法，但这种方法的最大缺点是计算时间很长．为提高计算效率，本文在传统的半解析MonteCarlo方法的基础上，使用Henyey－Greenstein函数的修正公式来表示散射相位函数，计算出每个散射点处光子不发生进一步散射而直接到达接收机的概率．模拟结果显示，一、二、三次散射起主要作用，但随着海水衰减系数和接收机视场角的增大，高次散射对激光雷达的接收信号的作用也越来越强．     

船载激光雷达测量水体光学参数的仿真模拟研究

激光雷达能够高效获取海洋光学特性的垂直剖面信息,是海洋光学探测的重要手段之一。利用蒙特卡罗仿真方法,基于Gordon(1982)的机载激光雷达测量水体光学参数模型,研究了船载激光雷达在水中的传输过程和水中光场分布。特别研究考虑了接收视场角和望远镜半径等参数的影响,建立了适用于船载海洋激光雷达的模拟系统。在激光雷达的传输等效为太阳光传输后,该模拟系统与常用的HydroLight的模拟进行了比对印证并获得了一致的结果。在此基础上,通过模拟得到的激光雷达回波信号分析了不同激光雷达测量模式及典型水体条件下激光雷达消光系数α和海水光学参数之间的关系。船载激光雷达结果表明,在窄接收视场角情况下,激光雷达消光系数α趋向于水体光束衰减系数c;在宽接收视场角情况下,α趋近于水体的向下辐照度漫射衰减系数K_d。相比机载观测,船载观测的α趋近K_d的速度变缓。在垂直分层水体中,激光雷达在下层水体中测量的α值会向上层水体的α值偏移。该结果为研究海洋激光雷达测量参数与海洋光学参数之间的关系提供了进一步的认知。     

激光雷达探测水体光学特征参数的方法分析

多次散射是影响激光雷达探测水体光学特征参数（包括吸收系数a,衰减系数c,漫射衰减系数K_d）的重要因素,而视场（field of view, FOV）是造成接收回波中多次散射比重差异的关键参数。研究基于Mclean-Walker海洋激光雷达模型,引入接收视场参数q_rcvr,分别针对船载、机载和星载平台激光雷达进行探测回波计算,假设其探测高度依次为10 m、300 m和7´10⁵ m,在接收视场变化情况下分析多次散射因子对反演水体光学特征参数的影响。结果表明,利用水体中激光散射回波反演水体光学特征参数的方法中,假定激光准直入射,q_rcvr与探测高度H是影响反演结果的直接因素,激光雷达衰减系数K_lidar的物理意义随之变化,当q_rcvr近似为0时K_lidar反演值为衰减系数c,随q_rcvr´H增大,K_lidar反演值逐渐接近于漫射衰减系数K_d。     

激光引信云雾后向散射的偏振特性分析

针对激光在大气中传输时受到云雾的散射和吸收作用而影响激光引信的探测性能的问题,开展云雾对激光后向散射偏振特性的影响研究。利用Matlab对收发同轴窄视场模式下云雾对激光后向散射进行蒙特卡罗方法模拟,结果表明:不同粒子半径、不同能见度下云雾对激光后向散射的平均偏振度在0.08~0.25之间,与人造金属目标的偏振度之间存在较大的差异,可通过设定适当的阈值提高激光探测系统的抗云雾干扰能力。     

多粒子散射的偏振传输特性分析

针对多因素影响下偏振光在散射介质中的一般传输特性,系统分析了入射光波长、介质厚度、粒子参数和入射光偏振态等物理属性对偏振光子传输特性的影响。采用蒙特卡罗方法,追踪每个光子的偏振态变化,通过统计分析偏振度变化曲线得到光经过多次散射后的斯托克斯矢量和偏振信息,并对偏振光在散射介质中的传输规律进行分析。仿真实验表明相对于波长比较大的粒子对入射光的偏振态改变较小;线偏振光能较好地保持自身偏振态;圆偏振光能够在较短时间内重新恢复自身偏振状态,粒子半径越大恢复能力越强,并且在向前传输的过程中其旋转方向会发生改变。     

激光在云层中传输的特性分析及蒙特卡罗模拟

为了研究激光在云层中传输的多次散射特性,分析了传输过程中的功率损耗,并采用蒙特卡罗法模拟传输过程,得出时间展宽后的脉冲波形.结果表明,时间展宽后的脉冲具有陡峭的上升沿和指数形式的收尾;非对称因子、云层物理厚度、消光系数、接收视场角等对时间展宽都有影响,其中,非对称因子、云层物理厚度对时间展宽及时间延迟影响较大.     

激光雷达视场角的研究

在激光雷达的研究中,接收机视场角是一个非常重要的参数.作者利用一种改进的半解析Monte Carlo方法对激光雷达接收信号进行了模拟.在作者的模拟中,采用Henyey-Grenstein函数的修正公式、加入权值以及放宽判决门限等方法来增进光子的利用效率.由计算结果可以看出,不同的接收机视场角使得接收信号波形有很大的差异.通过分析,我们认为接收机视场角FOV=20～30mrad时能够获得较佳的接收信号.     

红外辐射在烟幕中的蒙特卡洛模拟

先简单介绍了蒙特卡洛方法的基本知识与应用领域,然后详细地介绍了多次散射,并强调了多次散射在干扰中的重要作用.针对红外烟幕对红外辐射有较强的吸收和散射作用,利用蒙特卡洛方法,模拟了红外在红外烟幕中的传输过程,并给出了具体实现算法;并利用了散射相位函数确定了散射角.最后通过实验验证了接收视场角的大小影响单次散射近似范围.     

圆偏振光的后向散射旋性反转特性分析

圆偏振光较线偏振光具有更多的潜在优势,尤其是在浑浊介质中,利用圆偏振光的旋性进行目标探测可以有效抑制散射光的影响。从经典单粒子偏振态描述方法出发,从散射介质属性和单次散射角大小的角度,阐明了圆偏振光在散射介质中旋性反转与保持的机理,并通过蒙特卡罗方法建模仿真,分析了圆偏振光的后向散射旋性反转特性。仿真结果表明,单次散射后,圆偏振光旋性的保持或反转取决于散射介质的属性及散射角的大小;多次散射后,圆偏振光的旋性保持或反转还和光子入射方向与光子接收面夹角的大小相关。特别地,圆偏振光的后向散射在低浓度散射介质中或短距离传输时会发生旋性反转,而在浑浊介质即高浓度散射介质中或远距离传输时会保持其初始偏振态。     

偏振对相干激光雷达目标散射的影响

应用Stokes矢量,Mueller矩阵以及双向反射分布函数4×4矩阵理论。计算了各种发射和接收偏振结构对目标散射信号的影响。建立了偏振可调的CO_2激光相干探测系统,并分别测量了光滑铝板和立方体角目标对各种接收和发射偏振结构的后向散射数据。发现偏振对目标测量(包括激光雷达目标定标)的影响是必须考虑的。     

空间目标激光雷达散射波实验室模拟技术

散射特性是目标光学重要特征之一,是激光雷达对目标探测与识别的基础,为获取散射波特性数值,提出空间目标激光雷达散射波实验室模拟技术。首先利用积分方程将散射场分成切面近似场与补偿场,分别计算散射场与散射功率;其次根据双频互相关函数推导空间目标激光雷达方程,获取单位面积的激光雷达截面与双向分布函数之间关系,确定光滑、中等粗糙、粗糙三种表面物理统计量;最后对斯托克斯参量定义,得出自然光状态下的归一化形式,并利用旋转偏振片法测量散射波参数,表面粗糙度与入射波长不断变化,当目标表面粗糙度越大,散射系数越小;入射波越长,散射系数越高时,实现空间目标激光雷达散射波实验室模拟,为高性能雷达目标识别提供理论依据。     

航空偏振相机的光学偏振特性实验研究

利用大孔径积分球辐射光源系统对航空偏振相机的偏振特性进行了实验研究,以各偏振工作波段中0°放置的偏振通道为基准,选取航空偏振相机中心视场64×64像素点计算并校正了各偏振通道中偏振片／滤光片的强度透过率差异;并进一步测量了航空偏振相机光学系统自身的起偏度,通过最小二乘法多项式拟合,给出了各偏振工作波段的偏振度随视场角的...     

水下散射信道信号到达角度分布研究

基于多次散射模型,设计了基于蒙特卡罗仿真模型的LED传输系统,研究了不同水体环境下接收信号到达角度和接收机视场角对接收信号功率和接收信噪比的影响。在纯水和纯净大洋水环境下,接收信号功率集中分布在0°~3°,较小的接收机视场角(1°)可以获得最大信噪比。在港口水和沿海水环境下,信号功率的分布显著扩展,特别是港口水环境下扩展到0°~90°。在沿海水环境下,当接收机视场角为8°,可以获得最大信噪比;在港口水环境下,接收视场角增大到30°,可以获得最大信噪比。     

基于菲索干涉仪多普勒激光雷达的风速及后向散射系数反演

提出在基于Fizeau干涉仪的测风激光雷达的系统中,对回波信号利用非线性最小二乘法可同时反演得到风速和后向散射系数比.该方法无需确切知道实际的系统参数大小如望远镜视场角、几何重叠因子等.用Monte-Carlo方法模拟了回波信号并利用该方法进行了风速和后向散射系数比的反演,结果表明:在3km高度处,由信号的散粒噪声引起的相对测量误差小于0.2%.同时,又给出了在不同信噪比情况下,反演精度随之变化的关系图.当峰值信号光子数高于500时,风速和后向散射比误差很小.