海洋激光雷达探测卫星技术发展研究

从国家海洋战略需求出发,对我国发展海洋激光雷达必要性进行分析,对海洋激光雷达的特点,以及国内外发展情况进行梳理;分析了目前国内外激光雷达建设规划与已发射星载激光雷达的情况,提出未来星载海洋激光雷达的发展方向,以及在轨预期数据应用产品,讨论了星载海洋激光雷达关键技术,给出了“十四五”期间海洋激光雷达的发展前景。     

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。     

海洋激光雷达实验与仿真结果的对比

海洋激光雷达是探测上层海水并构建海洋立体观测网络的重要遥感设备。文中将激光雷达实验数据与MC (Monte Carlo)仿真、解析模型、原位数据进行综合对比,检验它们的匹配程度。与实验实测的激光雷达回波信号相比,MC仿真和解析模型均有很高的一致性(R^2>0.97),将原位漫射衰减系数(Kd)近似代入普通激光雷达方程也有较好的一致性(R^2>0.92)。反演得到的激光雷达衰减系数(α)表现出了相似的结果,MC仿真和解析模型具有更佳的一致性。结果表明:海洋激光雷达实验结果能与MC和解析模型的仿真结果很好地匹配。     

机载双波长米散射激光雷达大气回波信号与信噪比的模拟计算

为了研究机载双波长米散射激光雷达的技术参数对其探测性能的影响,为该激光雷达的设计与研制提供理论分析依据,使用合适的大气消光模式和机载米散射激光雷达方程,对其接收的大气后向散射回波信号以及信噪比进行了模拟计算,讨论了几何重叠因子和不同消光模式对回波信号的作用,分析了激光脉冲能量、累积激光脉冲数、接收视场、滤光片半宽度等技术参数对信噪比的影响.结果表明设计的机载激光雷达完全可以进行10 km高度以下大气气溶胶和云的探测.     

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。     

蓝绿光星载海洋激光雷达全球探测深度估算

为了评估和分析激光雷达探测全球海洋光学参数的性能,根据激光雷达方程和给定的激光雷达参数,使用MODIS Level 3全球年平均的海水吸收系数a（）和后向散射系数bb（）数据作为海水光学参数的参考值,对蓝绿光星载海洋激光雷达在全球海洋的探测深度进行了估算和分析。研究结果表明:星载海洋激光雷达探测深度的分布主要依赖于探测波长和水体光学性质,清洁大洋水的最优探测波长在460 nm左右,白天和夜间的最大探测深度分别为~110 m和~120 m;沿岸浑浊水的最优探测波长多在500 nm以上,最大探测深度只能达到20 m或更浅。探测波长为470~480 nm时,星载海洋激光雷达在全球范围内的平均探测能力最佳。     

星载合成孔径雷达回波信号的仿真

分析了星载合成孔径雷达空间几何关系和卫星轨道摄动方程,提出了一种基于Stop and go模型的星载SAR回波信号仿真方法。详尽地描述了整个仿真过程,讨论了回波信号仿真的方法,并给出回波信号的仿真结果和RD算法成像结果。     

SAR回波模拟半实物仿真平台的构建

空载合成孔径雷达系统的研制过程中常需要对某些关键算法和功能原理进行验证，而这些验证用的数据又不可能完全通过代价昂贵的实际飞行获得，因此通过半实物仿真和信号模拟来获得所需的目标回波数据成为一个有效的解决手段。     

高效星载TOPSAR场景回波信号模拟方法

星载TOPSAR回波信号模拟中时域逐点法运算效率低,而2维频域法又无法直接模拟星载TOPSAR回波信号。针对这个问题,该文提出了一种高效的星载TOPSAR模式场景回波模拟方法。该方法在距离向上利用参考点回波与场景散射矩阵卷积完成,在方位向上采用对逐个慢时间进行模拟和存储。文中详细给出该方法的处理流程,分析了该方法的运算量,同时还对比了点目标模拟结果与精确的时域模拟方法的差异,最后利用模拟回波信号的成像及干涉结果验证了该文方法的有效性。     

海洋激光雷达接收信号的Monte Carlo计算

在传统的半解析ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法的基础上作了进一步改进,用扭曲的Ｈｅｎｙｅｙ－Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ函数（Ｈ－Ｇ函数）来表示散射相位函数,并由Ｈ－Ｇ函数直接得出散射角θ的表达式。计算结果表明,用此方法对海洋激光雷达接收信号的模拟与实验结果十分吻合     

Analysis of flash lamp structure using Monte Carlo photon tracing method

By analyzing the flash lamp structure, better illumination distributions in the lamp's field of view can be obtained. Instead of geometrical optical approaches, the Monte Carlo photon tracing method was used here to trace the photon tracks in a three-dimensional space. The models of elemental structures in a camera flash lamp, such as the flash tube, reflector and focus lens, were set up by introducing the cosinusoidal random number and other mathematical methods. Initially, the single photon was traced in the flash lamp by using the Monte Carlo method to simulate various photon tracks. A large sum of photons was then generated to simulate the real situation in the flash lamp. Finally, a group of structural parameters was applied to verify the simulative computer program. The output light intensity distributions at different angles of view in the orthogonal directions meet the ISO standards and are very close to the measured ones. Hence, the Monte Carlo photon tracing method in the design of flash lamps has been proven to be applicable and useful.     

Component placement in VLSI circuits using a constant pressure Monte Carlo method

When laying out a VLSI circuit on a silicon wafer the object is to pack the components of the circuit onto a wafer of minimum area subject to a variety of conflicting constraints associated with electrical interconnections among the components and input/ output connections. A constant pressure Monte Carlo method is applied to an idealized component placement problem where the object is to pack different rectangular components onto a square of minimum area with a subsidiary objective of minimizing the total length of wires interconnecting the components. The Monte Carlo method is found to be remarkably effective in solving this idealized problem. No other method for solving this problem is known.     

用蒙特卡罗法研究波动水表面对机载海洋激光雷达水下光束质量的影响

利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对机载海洋激光雷达探测过程中,透过波动水表面向下传输的激光束质量受波动水表面影响的程度进行了模拟计算,并给出了定量结果和定性结论。为了获得水下传输的激光束质量相关数据,在传统的蒙特卡罗模型中引入了波动水表面影响模型和接收平面能量分布计算的功能。通过模拟计算,得到了不同海面风速条件下机载海洋激光雷达发出的高斯光束透过波动水表面后在接收平面上的能量分布,得出了随着海面风速的增加,高斯光束的光束质量不断下降,机载海洋激光雷达探测效果不断变差的结论。     

蒙特卡罗方法确定生物组织体内温度分布

根据生物组织热传递理论,建立了由生物组织体表温度分布推算体内温度分布的概率模型,采用基于蒙特卡罗思想的算法快速求解生物热传导方程,确定激光辐射下生物组织体内温度场分布的情况,分析了激光功率密度、组织体内血液灌注率以及空气对流系数等因素对体内温度场的影响,研究结果具有重要的临床应用价值.     

Simulation of carrier transport in heterostructures using the 2D self-consistent full-band ensemble Monte Carlo method

We demonstrate a two-dimensional(2D) full-band ensemble Monte-Carlo simulator for heterostructures, which deals with carrier transport in two different semiconductor materials simultaneously as well as at the boundary by solving self-consistently the 2D Poisson and Boltzmann transport equations(BTE).The infrastructure of this simulator,including the energy bands obtained from the empirical pseudo potential method,various scattering mechanics employed,and the appropriate treatment of the carrier transport...     

一种目标跟踪滤波的新方法

对于目标跟踪系统,当观测不确定性相对系统不确定性较大时,如果采用EKF,UKF算法,由于概率密度函数(PDF)由高斯分布近似使真实的分布结构扭曲,导致系统性能下降或发散,采用粒子滤波时,因为系统不确定性相对观测不确定性较小,所以重采样会使粒子间的独立性消失,导致系统性能下降。为了提高目标跟踪的精度,该文给出一种SMCEKF及SMCUKF滤波算法,在SMC(Sequential Monte Carlo)算法中分别引入EKF及UKF,由独立滤波器更新和传播的随机采样点和相应权重来表示状态的PDF,由于初值和滤波都是独立的,所以确保了表示PDF的随机样值的独立性,在滤波器个数较少、计算量较小的情况下使滤波性能得到提高。文中给出了理论分析和仿真实例证明算法的有效性。     

异质结构中载流子输运的二维自洽全能带系综蒙特卡罗模拟

本文展示了一个用于异质结构模拟的二维全能带系综蒙特卡罗 模拟器,它通过自洽求解二维泊松和波尔兹曼方程,同时处理 了载流子在两种不同半导体材料以及其其界面处的输运。本文 给出了该蒙特卡罗模拟器的内部结构,包括通过赝势方法计算 得到全能带结构、包含的不同散射机制和对载流子在两种不同 半导体材料边界输运的适当处理。作为验证,我们对两种不同 掺杂的Si-Ge异质结—p-p同型异质结和n-p异型异质结进行了 模拟,给出了其I-V特性以及电势和载流子浓度分布,这些结果 验证了我们的异质器件蒙特卡罗模拟器的有效性。