大气衰减对激光雷达性能影响的蒙特卡罗模拟

论文摘要

激光雷达已从20世纪的探索阶段,发展到了日臻成熟的阶段。相对微波、毫米波雷达,工作频段的迁移使其具有很多独特性的优点,但随之而来的也有一些缺点,例如受大气的影响较大,大气造成的衰减较为严重。因此大气对于光的衰减特性就变得极为重要。目前国内外大多是采用气象计算软件或是一些经验公式来研究大气衰减的情况,这种方法对于在正常天气下的情况时可以使用,这种方法的优点是简单、方便、快捷,而缺点是对于各种不同的天气变化情况无以应对,软件中虽然存有一些特殊天气的数据包,但是并不全面,尤其是在较差能见度的天气时,经验公式所得的结论与实验所得结果会有明显的偏差。而文中所采用的蒙特卡罗方法意在解决这种困难,使得在较差天气下激光衰减的计算结果更好的接近真实情况。文中首先介绍了主要研究方法,即蒙特卡罗方法,建立相应的模型后,通过计算机模拟,得到了较差能见度下与经验公式不同的大气透过率情况。从模拟结果中可以看到,经验公式与蒙卡方法得到的结果有较大的偏差,经验公式所得结果明显大于蒙卡模拟的方法,经过研究表明,在能见度较差的情况下,散射过程中需要考虑粒子的多重散射效应,经验公式中并没有考虑到这一点,所以蒙卡方法所得结果更加复合事实情况。然后在讨论大气中的气溶胶对激光的衰减情况之后,将蒙特卡罗方法应用到具体的大气当中,讨论了光学参数对大气后向散射情况的影响,大气衰减系数、粒子反照率等光学参量对后向散射的影响非常显著,同时大气的后向散射随距离的增加而增加,最终趋于平缓状态。正常天气下,通过计算后向散射功率,可以选取适当的接收器响应功率进而提高信噪比,在能见度较差的天气下,散射系数较大,后向散射回波可能完全覆盖目标的回波信号,通过对响应时间进行计算,得出了不同参数下的后向回波的响应时间,对距离选通激光雷达距离门宽度的选取有一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.2.1 激光大气传输特性的研究现状
• 1.2.2 激光雷达的研究现状
• 1.2.3 蒙特卡罗方法的应用
• 1.2.4 大气后向散射的研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 光子传输的蒙特卡罗方法模拟
• 2.1 光子的多重散射
• 2.2 蒙特卡罗方法
• 2.2.1 光子传输的模型及光子的初始化
• 2.2.2 光子第一次散射后到第二次碰到粒子时所经过的路程
• 2.2.3 介质边界处的处理方法
• 2.2.4 光子的传输过程
• 2.2.5 光子终止的判断
• 2.2.6 结果的验证
• 2.3 低能见度雾气天气下激光的衰减情况
• 2.3.1 能见度
• 2.3.2 计算结果分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 激光大气传输的衰减
• 3.1 激光大气传输概要
• 3.2 大气粒子的散射
• 3.2.1 光散射的基本理论
• 3.2.2 米散射理论
• 3.3 气溶胶的物理特性
• 3.3.1 大气气溶胶
• 3.3.2 霾粒子的分布
• 3.3.3 云、雾粒子、雨滴的分布
• 3.4 霾的消光特性
• 3.5 大气气溶胶衰减的计算方法
• 3.6 霾、云、雾、雨对激光造成的衰减的计算
• 3.6.1 霾的衰减
• 3.6.2 云雾的衰减
• 3.6.3 雨的衰减
• 3.7 本章小结
• 第4章 多重散射对激光雷达的影响
• 4.1 探测原理
• 4.1.1 激光雷达作用距离方程
• 4.1.2 信噪比
• 4.1.3 距离选通激光雷达
• 4.2 多重散射对激光雷达的影响
• 4.2.1 后向散射与光学参量的关系
• 4.2.2 后向散射对于激光雷达的影响
• 4.2.3 后向散射的抑制
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢