【摘要】：大氣氣溶膠對(duì)陽(yáng)光的作用會(huì)嚴(yán)重影響地球的大氣環(huán)境,側(cè)向激光雷達(dá)在大氣氣溶膠實(shí)驗(yàn)探測(cè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,Monte Carlo(蒙特卡羅)方法不斷的用于對(duì)激光大氣探測(cè)的仿真模擬分析中,且相比傳統(tǒng)分析具有更大的優(yōu)勢(shì),因此結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)對(duì)大氣氣溶膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與仿真分析具有很大的意義。本文搭建了基于電耦合器件(CCD)的側(cè)向散射激光雷達(dá)系統(tǒng)(Clidar系統(tǒng))的裝置,對(duì)氣溶膠散射系數(shù)曲線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)反演,并基于Monte Carlo方法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與分析,具體研究如下:(1)介紹了研究大氣氣溶膠的意義,闡述了激光雷達(dá)和Monte Carlo方法在氣溶膠研究方面的優(yōu)勢(shì),詳細(xì)的介紹了 Monte Carlo在激光探測(cè)方面的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。(2)介紹了激光在大氣中的傳輸理論基礎(chǔ)包括大氣的組成成分,高斯光束的在介質(zhì)中傳播特性以及主要的物理參數(shù),激光在大氣中的傳輸特性,以及激光與大氣的三種散射,側(cè)重的介紹了單個(gè)球形粒子對(duì)激光的Mie散射的理論基礎(chǔ);重點(diǎn)的介紹了 Monte Carlo的理論,包括Monte Carlo的思想和應(yīng)用,幾種Monte Carlo應(yīng)用方法,以及幾種仿真中用到的相函數(shù)和Monte Carlo方法的優(yōu)缺點(diǎn)。(3)根據(jù)米散射理論和激光傳輸方程,得到了基于Clidar側(cè)向散射回波信號(hào)圖進(jìn)行反演散射系數(shù)曲線的方法。搭建了以波長(zhǎng)為532 nm的激光器為光源,CCD為接收器的Clidar實(shí)驗(yàn)裝置;描繪了能見(jiàn)度不同的三天的光強(qiáng)曲線和反演的散射系數(shù)曲線。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到,當(dāng)能見(jiàn)度增加時(shí),光強(qiáng)減小,光強(qiáng)的空間分布較為均勻,光強(qiáng)曲線斜率變小。散射系數(shù)曲線則隨著能見(jiàn)度的增大尾部上翹程度減小,說(shuō)明大角度的散射角占比較少。推導(dǎo)并發(fā)現(xiàn)了消光系數(shù)與總光強(qiáng)之間存在一定的線性關(guān)系,提出了一種測(cè)量能見(jiàn)度的方式。經(jīng)過(guò)與預(yù)報(bào)能見(jiàn)度對(duì)比,測(cè)量結(jié)果誤差在可接收范圍內(nèi)。(4)針對(duì)Clidar系統(tǒng)建立了基于Monte Carlo方法的側(cè)向散射理論模型,研究了多次散射條件下,大氣氣溶膠對(duì)激光雷達(dá)光束的側(cè)向散射機(jī)制。通過(guò)對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)所得到的曲線進(jìn)行對(duì)比,證實(shí)了該Monte Carlo方法理論模型模擬側(cè)向散射激光雷達(dá)散射機(jī)制的可行性。利用該模型對(duì)比對(duì)了不同能見(jiàn)度條件下,仿真與實(shí)驗(yàn)獲取的散射系數(shù)曲線,仿真與實(shí)驗(yàn)的相關(guān)程度超過(guò)95%,二者具有較強(qiáng)的一致性,并發(fā)現(xiàn)隨著能見(jiàn)度的增大散射系數(shù)曲線整體下降且能見(jiàn)度越低時(shí)散射系數(shù)曲線的尾部更為上翹。針對(duì)平均散射因子μs和非對(duì)稱因子g進(jìn)行了研究。在仿真過(guò)程中g(shù)分別取0.1,0.3,0.5,0.7,0.9并進(jìn)行散射系數(shù)曲線的仿真,發(fā)現(xiàn)g會(huì)影響散射曲線的尾部上翹程度;固定g令μs從0.35到0.8按照0.05的步長(zhǎng)取值,仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)從與光子檢測(cè)器上的光子總能量呈現(xiàn)線性的關(guān)系。仿真總體說(shuō)明了模型中μs和g等關(guān)鍵參數(shù)與大氣條件存在密切關(guān)系。
【圖文】：

ｏ／邋ｚ逡逑Ｔ逡逑圖１．１偏振器件的單穩(wěn)態(tài)激光雷達(dá)中多重散射介質(zhì)返回的角度依賴性的求解模型逡逑２０１５年，Ｊａｅ－Ｉｈｎ邋Ｋｉｍ等人利用Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ方法，，建立了邋Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ水中傳輸模型以逡逑及仿真流程，分別如圖１．２（ａ）、（ｂ）所示。對(duì)高斯光束水下傳播進(jìn)行了仿真，并給出了仿真結(jié)逡逑果。以此描述了高斯光束在水介質(zhì)中的輻射傳輸，給出了基本的傳輸特性。仿真描繪了初逡逑始高斯光束的能量重新分配，顯示了光束傳播行為對(duì)海洋水的固有光學(xué)性質(zhì)的依賴性［２１］。逡逑其建立模型的過(guò)程，值得借鑒。逡逑［６＊ｒｘ？ｒ？ｔｔ邋ｐｈｏｔｏｎ邋Ｕ－．．丨＿邋丨邐．■■■＂＿．．…■逡逑邐＾邐逡逑ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ邋ｍｅｄｉｕｍ邐Ｉｆｔｉｔ＇ａｉｉｕｉｉｏｎ逡逑？ｎｄ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）逡逑Ｙ邐／邐二邋』，逡逑／邐ｆｅｏｒｒｔｅｔｆｉｃ邋邐逡逑“邐／邐ｐ＊ｔｔｉ邋ｋｊｎｆ邋ｔｈ，邋＊逡逑？邋邐？．．．邋、逡逑＼邐、邐｜、＾ｅｔｅｃｔｏｒｇｒｌｄ邐Ｉ逡逑Ｑ邐＇邐｜邐；邐７邐ｉ邐ｉｎ邋ｄｅｔｅａｏｆ逡逑邐＼＇邐．．．邐＿４逡逑邐｜邐ｊ邋0＞ｗ＼Ｘ邋ｐｈｏｔｏｎ邋ｊ邐ＵｉｘＵｉｅ逡逑ｓｏｕｒｃｅ逡逑＇！邋．邋、邋Ｎ逡逑、邋、＇、邋邐逡逑￥逡逑＜邐．．．．．．邐邐＞邐邐邐｜ｒｆ？ｏｔｏ？７邐邐邐邐逡逑ｚ？邐＞Ｑｇ逡逑圖１．２邋Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒ丨ｏ水中傳輸模型以及仿真流程逡逑同年

圖１．１偏振器件的單穩(wěn)態(tài)激光雷達(dá)中多重散射介質(zhì)返回的角度依賴性的求解模型逡逑２０１５年，Ｊａｅ－Ｉｈｎ邋Ｋｉｍ等人利用Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ方法，建立了邋Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ水中傳輸模型以逡逑及仿真流程，分別如圖１．２（ａ）、（ｂ）所示。對(duì)高斯光束水下傳播進(jìn)行了仿真，并給出了仿真結(jié)逡逑果。以此描述了高斯光束在水介質(zhì)中的輻射傳輸，給出了基本的傳輸特性。仿真描繪了初逡逑始高斯光束的能量重新分配，顯示了光束傳播行為對(duì)海洋水的固有光學(xué)性質(zhì)的依賴性［２１］。逡逑其建立模型的過(guò)程，值得借鑒。逡逑［６＊ｒｘ？ｒ？ｔｔ邋ｐｈｏｔｏｎ邋Ｕ－．．丨＿邋丨邐．■■■＂＿．．…■逡逑邐＾邐逡逑ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ邋ｍｅｄｉｕｍ邐Ｉｆｔｉｔ＇ａｉｉｕｉｉｏｎ逡逑？ｎｄ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）逡逑Ｙ邐／邐二邋』，逡逑／邐ｆｅｏｒｒｔｅｔｆｉｃ邋邐逡逑“邐／邐ｐ＊ｔｔｉ邋ｋｊｎｆ邋ｔｈ，邋＊逡逑？邋邐？．．．邋、逡逑＼邐、邐｜、＾ｅｔｅｃｔｏｒｇｒｌｄ邐Ｉ逡逑Ｑ邐＇邐｜邐；邐７邐ｉ邐ｉｎ邋ｄｅｔｅａｏｆ逡逑邐＼＇邐．．．邐＿４逡逑邐｜邐ｊ邋0＞ｗ＼Ｘ邋ｐｈｏｔｏｎ邋ｊ邐ＵｉｘＵｉｅ逡逑ｓｏｕｒｃｅ逡逑＇！邋．邋、邋Ｎ逡逑、邋、＇、邋邐逡逑￥逡逑＜邐．．．．．．邐邐＞邐邐邐｜ｒｆ？ｏｔｏ？７邐邐邐邐逡逑ｚ？邐＞Ｑｇ逡逑圖１．２邋Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒ丨ｏ水中傳輸模型以及仿真流程逡逑同年，Ｍｉｔｃｌｉｅｌ丨Ａ．邋Ｄａｖｉｓ等人設(shè)計(jì)了一種處理單次散射和多次散射之間的動(dòng)態(tài)光散射的逡逑Ｍｏｎｔｅ邋Ｃａｒｌｏ方法
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN958.98

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2618624