【摘要】：激光雷達(dá)是一種主動式的遙感探測技術(shù),綜合了激光技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢,除了具有激光光束的高亮度性、高單色性和高相干性的特點,還兼顧了雷達(dá)的遠(yuǎn)距離探測能力。星載激光雷達(dá)是激光雷達(dá)搭載在衛(wèi)星上,由于軌道高度高,測量范圍廣泛,可以提供全球分布的探測數(shù)據(jù),激光光束從高空直接進(jìn)入大氣層中,可以獲取高品質(zhì)的測量數(shù)據(jù)。了解激光雷達(dá)光源的輻射性能,對激光光束特性進(jìn)行評估,分析激光光束在大氣中的傳輸,可以為激光雷達(dá)測量和探測起到指導(dǎo)作用。研究激光光束與傳輸介質(zhì)之間的相互作用,主要是通過對傳輸介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的研究,揭示激光光束的傳輸特性和規(guī)律。論文首先以GLAS系統(tǒng)等為例介紹了激光雷達(dá)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理,調(diào)研了激光雷達(dá)傳輸國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,描述了輻射傳輸相關(guān)的理論和大氣介質(zhì)特性,然后使用蒙特卡羅方法模擬了激光發(fā)射系統(tǒng)、激光傳輸過程以及激光回波信號的接收,建立了一個星載激光雷達(dá)輻射傳輸模型(MCSbLRT),可以用來模擬激光雷達(dá)回波信號的接收,為星載激光雷達(dá)的使用提供參考。論文的主要工作如下:1.研究了星載激光雷達(dá)的工作原理和激光在大氣中的傳輸特點,利用蒙特卡羅方法建立了合適的星載激光雷達(dá)輻射傳輸算法;分析了蒙特卡羅方法模擬星載激光雷達(dá)輻射傳輸可能存在的問題,并對局部估計方法和俄羅斯輪盤賭技術(shù)方法進(jìn)行了改進(jìn),提高了信號接收效率,縮減了方差;2.運用了科學(xué)的軟件研發(fā)方式建立了星載激光雷達(dá)輻射傳輸模型(MCSbLRT);3.運用VC++語言,編寫了友好的可視化軟件界面,使軟件功能及所需參數(shù)更加直觀,使用起來的十分便捷;4.利用OPAC軟件獲取了模擬過程中需要的氣溶膠和云粒子的吸收系數(shù)、消光系數(shù)、散射系數(shù)、單次散射反照率和不對稱因子等光學(xué)參數(shù),并按照氣溶膠的光學(xué)參數(shù)隨高度變化的公式求解出0-1Okm高度上的光學(xué)參數(shù);為了能夠詳細(xì)的描述相對濕度對可見光到紅外波段的氣溶膠粒子光學(xué)參數(shù)的影響,在0.40um到18um(可見光到紅外波段)之間,選取49個波長,計算了 WASO(可溶性氣溶膠)、SSAM(海鹽性氣溶膠)、SSCM、SUSO(硫酸鹽)四類氣溶膠在8個(0%、50%、70%、80%、90%、95%、98%、99%)相對濕度條件下的小尺度范圍內(nèi)球形粒子的散射特征參數(shù),包括消光系數(shù)、吸收系數(shù)、散射系數(shù)、不對稱因子和單次散射反照率。5.利用建立的星載激光雷達(dá)輻射傳輸模型(MCSbLRT)進(jìn)行了激光雷達(dá)傳輸影響因素分析,發(fā)現(xiàn)隨著氣溶膠單次散射反照率增大接收到的回波信號越來越多；激光雷達(dá)的散射能量主要集中在單次散射;同種大氣條件下,模擬光子數(shù)的增加與模擬時間基本成線性關(guān)系;6.利用建立的星載激光雷達(dá)輻射傳輸模型(MCSbLRT)進(jìn)行了模擬計算,通過設(shè)置不同的氣溶膠單次散射反照率、接收器位置等,得到不同的模擬結(jié)果,分析了各項參數(shù)對激光雷達(dá)傳輸結(jié)果的影響;7.基于電磁散射與輻射傳輸中的基本理論,對單次散射相函數(shù)的解析表達(dá)式進(jìn)行了研究,提出了一種新的單次散射相函數(shù)解析表達(dá)式。新的散射相函數(shù)在描述球形粒子散射情況時,對于大角度(大于90°)后向散射,新的相函數(shù)與Mie散射相函數(shù)均方根差較小的占73.3%,高于Henyey-Greenstein*相函數(shù)的26.7%;同時分析了該解析式在非球形粒子散射中的應(yīng)用,并與T矩陣法的計算結(jié)果進(jìn)行了對比,對于橢球形粒子和有限長圓柱形粒子,在大角度(大于90°)后向散射部分,除了 0.694um時的橢球形海洋性氣溶膠,新的相函數(shù)均方根差較小的占100%,證明了新的相函數(shù)可以較好的模擬非球形粒子的后向散射特征。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN958.98
【圖文】：

圖１．１激光測高的概念逡逑高系統(tǒng)ＧＬＡＳ逡逑Ｓａｔ上搭載了地球測高體系ＧＬＡＳ，主要用于觀測極地的和大氣云層數(shù)據(jù)等。該激光雷達(dá)的運行軌道為６０（Ｕｍ的周期為８（＾ＧＬＡＳ測高系統(tǒng)搭載的激光器是半導(dǎo)體抽運逡逑延長ＧＬＡＳ測高系統(tǒng)的工作時間，系統(tǒng)同時搭載了邋３臺正常探測狀態(tài)下只使用其中的一臺，其余的兩臺做為備用過激光器調(diào)Ｑ技術(shù)使得激光光束的峰值能量較高，且需。ＧＬＡＳ的詳細(xì)參數(shù)如下表１．１所示。逡逑星在近似圓形的軌道上進(jìn)行探測活動。２００９年１０月，衛(wèi)正式停止了探測。２０１０年２月，ＮＡＳＡ正式宣布ＩＣＥｓａｔ，停止工作（ＺＷＡＬＬＹＡ邋Ｈ邋Ｊ．邋ｅｔ邋ａｌ．，２００２；邋ＵＲＢＡＮ邋Ｔ邋Ｊ．邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００８）。逡逑

３臺激光器的波長不同，相互之間存在著一定的差異，測量過程中有微小的逡逑變化，為了使３臺激光器都可以正常工作，在自由光譜范圍內(nèi)對濾波系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)逡逑具進(jìn)行調(diào)節(jié)。ＧＬＡＳ的結(jié)構(gòu)如圖１．２所示。儀器工作的能量來自于太陽能，為了逡逑太陽能板獲取太陽能量的最大化，設(shè)計了兩種飛行模式，即飛機(jī)模型和帆船模式。逡逑設(shè)地球為橢圓，圖中坐標(biāo)方向的意義如下：ｘ軸與飛機(jī)模式的速度方向相逡逑同，ｙ軸沿帆船模式下的速度方向，ｚ軸方向垂直于地球與測地學(xué)天底方向，且逡逑存在邋０．３°邋的偏差（ＢＥＡＴＡ邋Ｍ邋Ｃ．邋ｅｔ邋ａｌ．，２０１４）。逡逑ＧＬＡＳ的使用壽命為７年，在此期間進(jìn)行了邋１５次測量活動，每次測量活動逡逑的周期是３３天。探測的內(nèi)容主要分為三個部分：一、海冰厚度和冰蓋高程，冰逡逑蓋的收縮和擴(kuò)展；二、植被高度和陸地生物量；三、支持其他交叉學(xué)科的研宄。逡逑利用觀測數(shù)據(jù)研究了冰蓋物質(zhì)平衡和海平面上升的原因，得到了冰蓋變化的積累逡逑率以及影響排冰量的因素。逡逑４逡逑

干涉濾光片去除背景噪聲后被探測器直接接收。與此同時，每個信號檢測通道中逡逑都安裝了雙重數(shù)字轉(zhuǎn)化器，動態(tài)檢測范圍為２２況？，保證了云和分子散射信號都逡逑能過被順利被接收。ＣＡＬＩＯＰ光路示意圖如下圖１．３所示。圖１．４為ＣＡＬＩＰＳＯ衛(wèi)逡逑星載荷示意圖。逡逑十涉濾光片邐＿＿逡逑＾邐Ｄ邐－邋１０６４ｎｍ逡逑ｍ邋ｍｍ邋＼ｉｍｍ邋￣￣逡逑姑邋／邐；�。赀姡板澹茫辏疱澹掊澹担常玻睿礤澹义希蜆�(biāo)準(zhǔn)具逡逑Ｊ邋＼邋ｆｔ邋／邐ｘ■—５３２ｎｍ邋N逡逑丁邐奸灥器逡逑接收望遠(yuǎn)鏡逡逑圖１．３邋ＣＡＬＩＯＰ系統(tǒng)示意圖逡逑刪板逡逑望遠(yuǎn)鏡釀＼邐岕板連接件逡逑|`鏡視、輻射計逡逑接收《元件逡逑■控制器、＼灥V逡逑灥置大翻機(jī)逡逑圖１．４邋ＣＡＬＩＰＳＯ載荷分布示意圖逡逑６逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 魏麗,鐘強;青藏高原模式大氣(暫用)[J];高原氣象;1988年02期

2 汪宏七,趙高祥,王普才;在各向異性散射大氣中用離散坐標(biāo)法計算輻射傳輸?shù)男逻M(jìn)展[J];科學(xué)通報;1989年11期

3 楊垠暉;勞彩蓮;;虛擬冠層光輻射傳輸仿真系統(tǒng)設(shè)計[J];計算機(jī)仿真;2009年12期

4 安巍;阮立明;談和平;;一維瞬態(tài)輻射傳輸?shù)挠邢拊M[J];工程熱物理學(xué)報;2007年01期

5 高揚;段民征;黃興友;;典型矢量輻射傳輸模式計算精度與效率的初步比較[J];遙感學(xué)報;2010年05期

6 周廣強,趙春生,丁守國,秦瑜;不同輻射傳輸方案對中尺度降水影響的對比分析[J];應(yīng)用氣象學(xué)報;2005年02期

7 張華;荊現(xiàn)文;;氣候模式中云的垂直重疊及其輻射傳輸問題研究進(jìn)展[J];氣象學(xué)報;2016年01期

8 何賢強;潘德爐;白雁;朱乾坤;龔芳;;基于矩陣算法的海洋-大氣耦合矢量輻射傳輸數(shù)值計算模型[J];中國科學(xué).D輯:地球科學(xué);2006年09期

9 郜婧婧;段民征;孫淑珍;;一個簡單的非水平均勻的大氣臨邊矢量輻射傳輸模式[J];遙感技術(shù)與應(yīng)用;2014年05期

10 阮立明;安巍;談和平;;超短脈沖激光在二維非均勻介質(zhì)內(nèi)的瞬態(tài)輻射傳輸[J];工程熱物理學(xué)報;2007年06期

相關(guān)會議論文 前10條

1 張峰;吳琨;Jiangnan Li;楊全;趙劍琪;李建;;一種新的紅外四流輻射傳輸方案研究[A];第33屆中國氣象學(xué)會年會 S12 大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境[C];2016年

2 何賢強;潘德爐;朱乾坤;龔芳;;基于矩陣算法的海洋-大氣耦合矢量輻射傳輸數(shù)值模型[A];第十五屆全國遙感技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文摘要集[C];2005年

3 林磊;付強;黃建平;;輻射傳輸模式的簡單對比[A];第28屆中國氣象學(xué)會年會——S9大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境[C];2011年

4 陳秀紅;魏合理;;多次散射輻射傳輸計算中的相函數(shù)處理[A];中國氣象學(xué)會2006年年會“首屆研究生年會”分會場論文集[C];2006年

5 周文艷;郭品文;羅勇;Kuo-Nan Liou;;陸面模擬中植被輻射傳輸參數(shù)化方案研究[A];中國氣象學(xué)會2007年年會氣候?qū)W分會場論文集[C];2007年

6 周廣強;趙春生;秦瑜;;不同輻射傳輸方案對中尺度降水影響的對比分析[A];新世紀(jì)氣象科技創(chuàng)新與大氣科學(xué)發(fā)展——中國氣象學(xué)會2003年年會“大氣氣溶膠及其對氣候環(huán)境的影響”分會論文集[C];2003年

7 濮江平;單陳華;鄭國光;毛節(jié)泰;姚展予;賀杰;馮圓;;輻射傳輸模式模擬層狀云微物理參數(shù)方法在人工影響天氣作業(yè)中的應(yīng)用前景[A];中國氣象學(xué)會2005年年會論文集[C];2005年

8 丁玨;李家驊;邱驍;翁培奮;;大氣顆粒物動力學(xué)和輻射傳輸耦合效應(yīng)的研究[A];中國力學(xué)大會-2015論文摘要集[C];2015年

9 官莉;;先進(jìn)的紅外探測器輻射傳輸模式的有效Jacobian算法[A];農(nóng)業(yè)生態(tài)與衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文摘要集[C];2006年

10 劉冬冬;張淳民;;溫度對SCIATRAN輻射傳輸模式近紅外正演光譜影響的研究[A];2015 年（第七屆）西部光子學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2015年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 程晨;星載激光雷達(dá)輻射傳輸蒙特卡羅模擬[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2018年

2 周文艷;陸面過程模式中植被冠層四流輻射傳輸參數(shù)化方案的理論及應(yīng)用研究[D];南京信息工程大學(xué);2007年

3 王希影;氣溶膠粒子光學(xué)常數(shù)的實驗研究及輻射傳輸?shù)臄?shù)值模擬[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

4 王蓉蓉;大氣水凝物中THz波和紅外波的輻射傳輸特性[D];西安電子科技大學(xué);2015年

5 帥永;典型光學(xué)系統(tǒng)表面光譜輻射傳輸及微尺度效應(yīng)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

6 張勇;參與性介質(zhì)熱輻射傳輸?shù)淖匀辉獢?shù)值研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

7 范渭亮;適用于坡面森林冠層的新混合反射率模型[D];南京大學(xué);2013年

8 張永超;電離層遠(yuǎn)紫外日輝輻射觀測與O/N_2反演方法研究[D];中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2014年

9 徐元柳;基于裸露地表輻射傳輸模型的粗糙度反演與地形校正[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2009年

10 陳明;基于分形理論的巖礦光譜模型研究[D];華中科技大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王昊;大數(shù)據(jù)環(huán)境下面向FY3的輻射計算與分析研究[D];北方工業(yè)大學(xué);2017年

2 趙方舟;參與性介質(zhì)內(nèi)輻射傳輸?shù)挠邢拊ㄇ蠼饧肮鈱W(xué)成像研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

3 顏佳任;適用于云微物理特性連續(xù)變化的輻射傳輸參數(shù)化方案研究[D];南京信息工程大學(xué);2017年

4 劉兵;輻射傳輸?shù)姆e分方程法模擬及氣溶膠粒子輻射特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

5 解向前;蒙特卡洛法求解多維非均勻介質(zhì)瞬態(tài)輻射傳輸[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

6 王倩;光學(xué)遙感信息輻射傳輸中鄰近效應(yīng)校正算法研究[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2010年

7 張琳;卷云的輻射傳輸與散射特性研究[D];西安電子科技大學(xué);2010年

8 尚根鋒;輻射傳輸未知下的水下光場仿真研究[D];河南科技大學(xué);2017年

9 及運達(dá);基于頻域輻射傳輸?shù)募t外光學(xué)成像研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

10 衛(wèi)曉東;大氣氣溶膠的光學(xué)特性及其在輻射傳輸模式中的應(yīng)用[D];中國氣象科學(xué)研究院;2011年

本文編號：2802509