CN114235173B

CN114235173B - 一种光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法

Info

Publication number: CN114235173B
Application number: CN202111362947.3A
Authority: CN
Inventors: 陈鹏; 张镇华; 毛志华; 王天愚; 袁大鹏; 谢丛霜; 钟纯怿; 钱政; 孙妙
Original assignee: Second Institute of Oceanography MNR
Current assignee: Second Institute of Oceanography MNR
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2041-11-17
Also published as: CN114235173A

Abstract

本发明公开一种光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法。该方法包括如下步骤：分别计算海表光电子速率方程、水体光电子速率方程、海底光电子速率方程和背景噪声光电子速率；然后按步骤计算总光电子速率方程，时间格平均光电子数，时间格光电子探测概率；最后通过时间格光电子探测概率模拟探测结果。该方法可以快速而准确的对光子计数星载海洋激光雷达探测结果进行仿真。

Description

一种光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法

技术领域

本发明属于海洋激光雷达遥感探测技术领域，尤其涉及一种光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法。

背景技术

海洋激光雷达已广泛应用于海洋探测，但传统的全波形激光雷达仿真方法并不适用于光子计数体制的激光雷达系统。一些用于评估星载海洋激光雷达探测深度的方法也难以获取探测到的光子分布。本方法通过将平均光电子数转化为探测概率，从而获取不同水体下光子分布。可以为光子计数星载海洋激光雷达用于水体剖面参数的探测提供指导。

发明内容

本发明的目的在于获取光子计数星载海洋激光雷达探测到的光子，本发明提供一种光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法，该方法通过将平均光电子数转化为探测概率，获得光子计数星载海洋激光雷达在水面、水体以及海底的光子分布。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：分别计算海表光电子速率方程N_s(t)、水体光电子速率方程N_c(t)、海底光电子速率方程N_b(t)和背景噪声光电子速率N_bg；

步骤2：通过步骤1得到的海表光电子速率方程N_s(t)、水体光电子速率方程N_c(t)、海底光电子速率方程N_b(t)和背景噪声光电子速率N_bg计算总光电子速率方程N_t(t)；

步骤3：通过总光电子速率方程N_t(t)计算时间格平均光电子数E(n)；

步骤4：通过时间格平均光电子数E(n)计算时间格光电子探测概率P(n)；

步骤5：基于时间格光电子探测概率P(n)来获得模拟探测结果。

作为优选，步骤1所述的海表光电子速率方程N_s(t)为：

N_s(t)＝w(t_s)*N_s；

其中，w(t_s)为海表光电子在时间轴上的分布：

其中，ΔT为激光脉冲宽度，t_s＝2H/(c·cos(θ))为激光束到达海表的时间，H为卫星轨道高度，c为光速，θ为激光束天底角；

N_s为海表反射的光电子数：

其中，E₀为激光出射能量，A为接收望远镜面积，T_O为接收器效率，T_a为大气透射率，η为探测器量子效率，h为普朗克常数，υ为光子频率，γ_s为海表后向散射系数。

作为优选，步骤1所述的计算水体光电子速率方程N_c(t)为：

N_c(t)＝w(t_c)*N_c(z)；

其中，w(t_c)为水体光电子在时间轴上的分布：

其中，t_c＝t_s+2z/(c_w·cos(θ_w))为激光束到达水体的时间，其中z为水体某一深度，c_w为激光在水体中的速度，θ_w为激光束在水体中的天底角；

N_c(z)为水体中的光电子数：

其中，T_s为海表透射率，n为水体折射率，β_π(z)为180°后向散射系数，K_lidar(z)为激光束在水体中的衰减系数。

作为优选，步骤1所述的海底光电子速率方程N_b(t)为：

N_b(t)＝w(t_b)*N_b；

其中，w(t_b)为海底光电子在时间轴上的分布：

其中，t_c＝t_s+2Z/(c_w·cos(θ_w))为激光束到达海底的时间，Z为海底深度；

N_b为海底的光电子数：

其中，R_b为海底反射率。

作为优选，步骤1所述的背景噪声光电子速率N_bg为：

其中，FOV为望眼镜接收视场角，L_B为背景光辐射功率，Δλ为激光雷达滤光片带宽。

作为优选，步骤2所述的总光电子速率方程N_t(t)为：

N_t(t)＝N_s(t)+N_c(t)+N_b(t)+N_bg+N_d；

其中，N_d为光电子暗计数。

作为优选，步骤3所述的时间格平均光电子数E(n)为：

其中，Δ为激光雷达时间分辨率。

作为优选，步骤4所述的时间格光电子探测概率P(n)为：

P(n)＝1-exp(-E(n))；

其中，Δ为激光雷达时间分辨率。

作为优选，步骤5所述的模拟探测结果通过基于P(n)生成随机数来获得。

本发明的有益效果是：本发明基于平均光电子数计算探测概率，可以快速地对光子在不同水体中的分布进行仿真。

附图说明

图1是本方法的流程图；

图2是样例的仿真结果，左图为1000个脉冲探测到的光子分布，右图为累加后每个深度的光子数；

图3是给定实例的仿真结果(上图)和实测结果(下图)对比图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本方法采用ICESat-2激光雷达参数作为样例，激光能量为E₀＝10mJ，脉宽ΔT＝1.3ns，有效接收面积为A＝0.41m²，重叠因子O＝1，激光雷达在轨高度为H＝500km，接收望远镜视场角FOV＝83.5μrad，量子效率为η＝0.15，接收器光学透射率为T_o＝0.45，时间分辨率Δ＝200ps，滤光片带宽Δλ＝30pm，暗噪声N_d＝1000Hz，环境参数大气透过率T_a＝0.7，太阳背景辐射L_b＝0.06Wm²nm^-1sr^-1，海水折射率n＝1.33，海表后向散射后系数γ＝0.05sr^-1，透射率为T_s＝0.95，K_lidar＝0.093m^-1，水体后向散射系数β_π＝0.66×10^-3m^-1sr^-1，海底反射率R_b＝0.1，水深为10m。

本发明的具体实施方式为：

步骤1所述的海表光电子速率方程N_s(t)为：

N_s(t)＝w(t_s)*N_s；

其中，w(t_s)为海表光电子在时间轴上的分布：

其中，ΔT为激光脉冲宽度，t_s＝2H/(c·cos(θ))为激光束到达海表的时间，计算为0.0033s，H为卫星轨道高度，c为光速，θ为激光束天底角。

N_s为海表反射的光电子数：

其中，E₀为激光出射能量，A为接收望远镜面积，T_O为接收器效率，T_a为大气透射率，η为探测器量子效率，h＝6.63×10^-34Js为普朗克常数，υ＝5.63×10¹⁴Hz为光子频率，γ_s为海表后向散射系数。

步骤1所述的计算水体光电子速率方程N_c(t)为：

N_c(t)＝w(t_c)*N_c(z)；

其中，w(t_c)为水体光电子在时间轴上的分布：

其中，t_c＝t_s+2z/(c_w·cos(θ_w))为激光束到达水体的时间，其中z为水体某一深度，c_w为激光在水体中的速度，θ_w为激光束在水体中的天底角。

N_c(z)为水体中的光电子数：

步骤1所述的海底光电子速率方程N_b(t)为：

N_b(t)＝w(t_b)*N_b；

其中，w(t_b)为海底光电子在时间轴上的分布：

其中，t_c＝t_s+2Z/(c_w·cos(θ_w))为激光束到达海底的时间，Z为海底深度。

N_b为海底的光电子数：

其中，R_b为海底反射率。

步骤1所述的背景噪声光电子速率N_bg为：

其中，FOV为望眼镜接收视场角,L_B为背景光辐射功率，Δλ为激光雷达滤光片带宽。

步骤2所述的总光电子速率方程N_t(t)为：

N_t(t)＝N_s(t)+N_c(t)+N_b(t)+N_bg+N_d；

其中，N_d为光电子暗计数。

步骤3所述的时间格平均光电子数E(n)为：

其中，Δ为激光雷达时间分辨率。

步骤4所述的时间格光电子探测概率P(n)为：

P(n)＝1-exp(-E(n))；

其中，Δ为激光雷达时间分辨率。

步骤5：基于时间格光电子探测概率P(n)来获得模拟探测结果；

步骤5所述的模拟探测结果通过基于探测概率P(n)生成随机数来获得。

图2显示样例的仿真结果。其中左图显示的是一千次脉冲接收到的光子分布，右图则为对这一千个脉冲进行叠加，获得的每个深度上的光子数。从图上可以看出，光子在海表和海底分布较多，水体中分布较少。多次累加的结果表明激光束在水体中呈指数衰减。

给定实例的系统参数依然使用ICESat-2卫星参数，其中激光能量为E₀＝10mJ，脉宽ΔT＝1.3ns，有效接收面积为A＝0.41m²，重叠因子O＝1，激光雷达在轨高度为H＝500km，接收望远镜视场角FOV＝83.5μrad，量子效率为η＝0.15，接收器光学透射率为T_o＝0.45，时间分辨率Δ＝200ps，滤光片带宽Δλ＝30pm，暗噪声N_d＝1000Hz，环境参数大气透过率T_a＝0.7，太阳背景辐射L_b＝0.06Wm²nm^-1sr^-1，海水折射率n＝1.33，海表后向散射后系数γ＝0.05sr^-1，透射率为T_s＝0.95，K_lidar＝0.078m^-1，水体后向散射系数β_π＝0.21×10^-3m^-1sr^-1，海底反射率R_b＝0.2，水深为Z＝35m。

图3显示给定实例的仿真结果(上图)和实测结果(下图，ICEsat-2卫星2018年11月22日飞过美国的圣托马斯岛)对比。左图显示的是接收到的光子分布，右图则为叠加后每个深度上的光子数。在海表的光子数基本在10³量级，海底10¹量级，水体中偶尔会探测到光子。其中，实测数据由于波浪的存在以及海底地形的起伏，会导致回波信号形状略有不同，但量级是基本一致的。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1所述的海表光电子速率方程N_s(t)为：

N_s(t)＝w(t_s)*N_s；

其中，w(t_s)为海表光电子在时间轴上的分布：

；

其中，ΔT为激光脉冲宽度，t_s＝2H/(c·cos(θ))为激光束到达海表的时间，H为卫星轨道高度，c为光速，θ为激光束天底角，t为光子飞行经过的时间；

N_s为海表反射的光电子数：

；

其中，E₀为激光出射能量，A为接收望远镜面积，T_O为接收器效率，T_a为大气透射率，η为探测器量子效率，h为普朗克常数，υ为光子频率，γ_s为海表后向散射系数；

所述的计算水体光电子速率方程N_c(t)为：

N_c(t)＝w(t_c)*N_c(z)；

其中，w(t_c)为水体光电子在时间轴上的分布：

；

Nc(z)为水体中的光电子数：

；

其中，T_s为海表透射率，n为水体折射率，β_π(z)为180°后向散射系数，K_lidar(z)为激光束在水体中的衰减系数；

所述的海底光电子速率方程N_b(t)为：

N_b(t)＝w(t_b)*N_b；

其中，w(t_b)为海底光电子在时间轴上的分布：

；

其中，t_b＝t_s+2Z/(c_w·cos(θ_w))为激光束到达海底的时间，Z为海底深度；N_b为海底的光电子数：

；

其中，R_b为海底反射率；

所述的背景噪声光电子速率N_bg为：

；

其中，FOV为望眼镜接收视场角，L_B为背景光辐射功率，Δλ为激光雷达滤光片带宽；

步骤2所述的总光电子速率方程N_t(t)为：

N_t(t)＝N_s(t)+N_c(t)+N_b(t)+N_bg+N_d；

其中，N_d为光电子暗计数；

步骤3所述的时间格平均光电子数E(n)为：

；

其中，Δ为激光雷达时间分辨率；

步骤4所述的时间格光电子探测概率P(n)为：

P(n)＝1-exp(-E(n))；

其中，Δ为激光雷达时间分辨率。

2.根据权利要求1所述的光子计数星载海洋激光雷达探测仿真方法，其特征在于：

步骤5所述的模拟探测结果通过基于P(n)生成随机数来获得。