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.     

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。     

单次大气散射效应对星载激光测高仪接收脉冲回波的影响

大气散射效应是影响星载激光测高仪接收脉冲回波的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波信号与大气响应函数之间的关系式,在忽略大气多次散射效应的条件下,通过分析散射激光束的几何轨迹和散射概率,推导出单次大气散射激光脉冲和接收脉冲回波的特征参数的数学解析式。以地球科学激光测高仪系统参数为输入,采用数值仿真分析的方法,模拟了大气散射介质分布、激光指向角和目标倾斜角对接收脉冲回波信号特征参数的影响。结果表明,若散射介质的高度和粒子半径范围分别为0.2~6 km和0~120 m,则其对接收脉冲回波的能量、重心和均方根脉宽的影响最大值分别超过15%、250 cm和800 cm。随着激光指向角或目标倾斜角的增加,接收脉冲回波的能量基本不产生影响,但是其重心和均方根脉宽近似呈线性增加趋势。同时,采用高斯拟合方法可以减小大气散射效应对接收脉冲回波的影响。所得结论对于接收脉冲回波的数据处理与分析以及激光测距精度的评估具有一定的指导意义。     

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.     

蒙特卡罗方法模拟水云对偏振激光雷达的多次散射去极化

利用激光雷达探测水云的光学和微物理特性时,水云的多次散射会在雷达回波中产生去极化信号,给出了半解析蒙特卡罗方法模拟偏振激光雷达后向散射去极化率的详细过程,给出了0.532μm激光作为光源入射时,典型水云的后向散射Muller矩阵二维分布图,以及水平线偏振、垂直线偏振、+45°线偏振和右旋圆偏振光入射时,后向散射的Stokes矢量的二维分布图,最后给出了去极化率和极化率随激光雷达接收视场角以及穿透深度的变化。从数据结果可以看出,接收视场角越大,多次散射的影响越大。给出的蒙特卡罗模拟方法对利用激光雷达遥感反演水云和球形气溶胶的特性具有重要的应用价值。     

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。     

非视线光散射通信的大气传输模型

利用大气对光的散射作用可以实现非视线通信.在单次散射假定下,研究了非视线光散射通信系统的大气传输模型.利用该模型分析了光源发散角、接收视场和收发仰角等系统几何参数与接收散射光能量之间的关系;重点讨论了大气分子散射和气溶胶散射各自对接收散射光能量的贡献.结果表明当系统的收发仰角较大时,接收光能量主要来自大气分子散射;反之,气溶胶散射则成为接收光能量的主要部分.对于工作在日盲紫外光谱区的非视线通信系统,增加接收视场可以有效地增大系统的信噪比.发现在两种典型的收发仰角情况下,接收散射光能量随光源发散角的变化趋势是相反的,这说明光源发散角要根据实际的应用场合设计确定.     

基于ZEMAX的拉曼激光雷达几何因子的模拟分析

激光雷达在接收大气回波信号时,近场信号由于望远镜视场角的限制不能完全接收,这对于侧重于接收大气对流层信号的拉曼激光雷达是不利的。激光雷达方程引入几何因子的概念描述回波信号的接收效率。从几何光学的角度,对拉曼激光雷达的几何因子进行了分析,对比光线追迹法求解的几何因子,两者重合度很高.为提高光纤耦合拉曼激光雷达在近场的接收效率,研究了光纤在轴向和侧向上的位移对接收效率的影响,并提出了侧向偏移光纤与以往传统的倾斜望远镜在提高近场回波信号上的一致性,有效地提高了窄视场角拉曼激光雷达系统的光学接收效率。     

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．     

气泡尾流光束衰减测量中的复散射校正

为了分析复散射对气泡尾流衰减测量的影响,采用小角度辐射传输方程,引入了表征复散射效应强弱的校正因子,通过数值求解分析了典型的尾流气泡尺度分布和数密度条件下复散射校正因子与接收视场角、光学厚度、光束大小和接收截面大小等参量之间的关系。结果表明,接收视场角在前向小角度范围内的变化对复散射校正因子的影响很大,而视场角较大时对复散射校正因子的影响基本相同;光学厚度的变化对复散射校正因子的影响显著,且在光学厚度小于1时,影响更明显;接收截面大小的变化在光学厚度小于1时对复散射校正因子的影响很小,但在光学厚度较大时,对复散射校正因子的影响比较明显;光束大小的变化对复散射因子的影响相对较小,且在光束束腰较大时对复散射因子的影响基本不变。该研究为尾流光束衰减测量条件的选择和优化提供了理论依据。     

水下目标信号特性及其有效衰减系数分析

本文采用一种改进的Monte Carlo方法对水下目标信号进行了模拟.结果表明,除单次散射外,第二、三次散射对目标信号的作用最大.而对水下目标时的有效衰减系数K_eff进行研究后发现,K_eff与无水下目标的后向散射包络的有效衰减系数K_b是不相同的,即K_eff≠K_b.并由不同参数条件下的模拟结果得出了它们之间的多个简单线性关系式.     

Micro pulse lidar

An eye safe, compact, solid-state lidar for profiling atmospheric cloud and aerosol scattering is described. The transmitter of the micro pulse lidar is a diode pumped microjoule pulse energy, high-repetition-rate Nd:YLF laser. Eye safety is obtained through beam expansion. The receiver uses a photon counting solid-state Geiger mode avalanche photodiode detector. Data acquisition is by a single card multichannel scaler. Daytime background induced quantum noise is controlled by a narrow receiver field-of-view (FOV) and a narrow bandwidth temperature controlled interference filter. Dynamic range of the signal is limited by optical geometric signal compression. Signal simulations and initial atmospheric measurements indicate that systems built on the micro pulse lidar concept are capable of detecting and profiling all significant cloud and aerosol scattering through the troposphere and into the stratosphere. The intended applications are scientific studies and environmental monitoring. which require full-time unattended measurements of the cloud and aerosol height structure     

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。     

雾环境下非视距散射光通信最佳链路分析

基于概率论和随机迁移理论,建立多次散射随机模型,采用蒙特卡洛方法仿真分析了辐射雾条件下,不同的通信距离条件时,近红外信号光在大气传输信道中传输的路径损耗与能见度之间的关系,指出在给定的通信距离以及给定的系统发送端发送仰角和发送光束束散角,接收端接收仰角和接收视场角等几何参数下,会存在一个能见度使得在这个能见度条件下信号光传输的损耗最小。在通信距离、能见度给定的情况下,针对大气散射通信几何构架中的各个参数的改变都会对非视距大气散射光通信链路路径损耗产生影响,通过模型仿真,提出辐射雾环境下最优化通信链路几何构架。仿真中采取808 nm 波长的激光二极管(LD)作为光源。     

光强闪烁激光雷达的背景噪声分析

介绍了光强闪烁 激光雷达回波信号中背景噪声的分类,通过某次实验中实验条件的变化,获得了采集卡本底噪声、放大器本底噪声、PMT本底噪声、自然背景光噪声和散粒噪声等不同背景噪声叠加在一起的大小和方差信息,以及不同噪声各自本身的方差信息。通过不同噪声之间的比较,发现在未接收激光大气散射回波信号时,放大器本底噪声占主导,自然背景光噪声相对于其他噪声是小量;在接收散射回波信号时,近距离内（低层通道2km,高层通道4km）散粒噪声占主导,远距离上处于弱势。实验结果确定了不同噪声对总背景噪声的贡献程度,为光强闪烁激光雷达从散射回波信号中提取大气湍流信息提供了依据,也为消除噪声对有效信号的影响提供了指导。     

基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法

提出了一种基于三轴转台的多视场星敏感器标定方法。该方法利用转台的3个旋转自由度,无需重新安装即可对任意轴向的视场进行标定数据采集。通过对于测量模型、结构参数模型及外参数模型的建模及优化整合得到实验室标定模型。使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法求解各视场的测量模型参数和各视场间的结构模型参数。该方法无需通过外场观星数据确定结构模型参数,大大节省了标定数据采集的工作量,也避免了大气对恒星矢量的影响引入的参数估计误差。通过一台数字三视场星敏感器的仿真试验和一台双视场星敏感器样机的实际试验验证了该方法的有效性。与基于外场观测的传统方法相比,视场内星间平均角距误差减小了20.32%,视场间星间角距平均误差减小了59.34%。     

激光在沙尘暴中的衰减特性研究

复杂环境中激光传输和散射特性是目标与环境光散射特性研究的基础。主要讨论了激光信号在沙尘中的传输衰减特性。根据Mie理论研究了具有一定粒径分布沙尘粒子对于激光信号的单次散射衰减特性，给出了不同分层沙尘粒子的平均散射截面、粒子平均反照率、平均不对称因子和平均相函数。利用四通量法和蒙特卡罗法研究了激光在分层沙尘大气中的多重散射和斜程传输衰减特性，并给出它们与能见度及高度的变化关系。最后，在考虑多重散射时，分别用以上两种方法数值计算了1．06μm激光在斜程沙尘大气中的衰减率，并与单次散射结果进行了比较。结果表明，能见度较低时，不考虑多重散射效应会带来较大的误差；在斜程沙尘大气激光传输时，随分层数增加，数值结果就越精确。     

不同粗糙度抛物面的2.52 THz后向散射测量

太赫兹后向散射特性是表征目标对太赫兹波散射能力的一个重要参数。在实际应用中抛物面形状占据了重要位置,而在2.52 THz频率下的相关散射特性的研究至今处于空白。利用已搭建的测量系统对直径为50、60、70、80 mm,粗糙度为3.2、6.3、12.5 m等的抛物面进行了太赫兹后向散射的测量。利用MATLAB软件对数据进行处理并得出目标的太赫兹后向散射特性曲线。利用控制变量法分别研究尺寸和粗糙度对目标太赫兹后向散射的影响。随着尺寸的增大,目标的散射特性曲线下降变缓,在3附近出现的凸起越来越明显。用示波器在所测角度边缘观察信号波形表明信号处于可测状态。后向散射测量实验结果表明,测量动态范围最大可达22 dB,最大误差约为0.15 dB。