CN115453501B - 量子激光雷达模拟器的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了量子激光雷达模拟器的模拟方法，涉及雷达模拟器技术领域，具体包括以下步骤：步骤二、通过米散射和瑞利散射理论计算三维大气区格的消光系数和后向散射系数；步骤三、通过"AABB盒”方法计算光束经过的区格及在每个区格中传输的距离；步骤四、通过雷达回波方程和量子效率的量子激光雷达工程参数计算理想回波信号；步骤五、通过暗计数的量子激光雷达工程参数计算噪声；可以模拟任意波段的量子激光雷达在不同三维大气环境下的回波光子数。通过“AABB盒”理论，准确计算了倾斜光束经过的三维空间的大气区格及在每个区格中的传输距离，从而可以模拟量子激光雷达不同扫描方式下的回波信号。

Description

量子激光雷达模拟器的模拟方法

技术领域

本发明涉及雷达模拟器技术领域，具体涉及量子激光雷达模拟器的模拟方法。

背景技术

激光雷达结合了激光技术和雷达技术，在大气探测中应用广泛。激光雷达模拟器的建立，有助于确定激光雷达的性能参数，建立和改进激光雷达的反演算法。

星载卫星数据模拟器单元(GoddardSatelliteDataSimulatorUnit，G-SDSU)中的激光雷达模拟器模拟器用于模拟星载激光雷达CALIOP的回波信号。输入NASA的天气预报模式NU-WRF的大气空间分布信息，输出模拟的星载卫星传感器的回波数据。通过比较模拟回波数据和实测回波数据，可用于建立和改进星载激光雷达的反演算法。

量子激光雷达使用单光子计数器，将入射的单个光子能量转变成微弱的电信号，可以探测到远距离的微弱信号，具有灵敏度高、探测距离长、探测效率高等传统激光雷达不具备的优点。同时，量子激光雷达多采用1550nm波段作为探测波长，该波段对人眼损伤很小，因此可以在人员密集区域进行三维扫描探测。

传统的星载激光雷达模拟器只能模拟垂直方向的探测，模拟的回波信号是回波光束能量而非光子数目。量子激光雷达是三维任意扫描，且需要将回波光束能量转变成光子数目，因此我们需要构建一套完整的量子激光雷达模拟器的模拟方法去模拟量子激光雷达回波信号。

相比于传统的激光雷达模拟器，量子激光雷达模拟器的模拟方法需要在两个方面有所改进：

1，传统的激光雷达模拟器只能模拟单一扫描方式下的回波信号，量子激光雷达可以进行三维任意扫描，因此量子激光雷达模拟器的模拟方法需要模拟任意三维扫描方式下的回波信号。

2，量子激光雷达的回波信号需要考虑单光子计数器的工程参数，将回波的能量转变成单光子计数器接收到的光子的数目。

发明内容

本发明的目的在于提供量子激光雷达模拟器的模拟方法，解决以下技术问题：

1，传统的激光雷达模拟器只能模拟单一扫描方式下的回波信号，量子激光雷达可以进行三维任意扫描，因此量子激光雷达模拟器的模拟方法需要模拟任意三维扫描方式下的回波信号。

2，量子激光雷达的回波信号需要考虑单光子计数器的工程参数，将回波的能量转变成单光子计数器接收到的光子的数目。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

量子激光雷达模拟器的模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、输入三维大气中的粒子类型、谱分布、数密度和量子激光雷达的工程参数；

步骤二、通过米散射和瑞利散射理论计算三维大气区格的消光系数和后向散射系数；

步骤三、通过"AABB盒”方法计算光束经过的区格及在每个区格中传输的距离；

步骤四、通过雷达回波方程和量子效率的量子激光雷达工程参数计算理想回波信号；

步骤五、通过暗计数的量子激光雷达工程参数计算噪声；

步骤六、输出模拟回波光子数信号及信噪比。

作为本发明进一步的方案：步骤一中量子激光雷达的工程参数包括工作波长、雷达位置、高度角、方位角、光学发射透过率、光学接收透过率、接收器半径、时间分辨率、空间分辨率、脉冲频率、接收视场角、滤波器带宽、量子效率和暗计数。

作为本发明进一步的方案：步骤一中三维大气中的粒子类型、谱分布、数密度和波长计算每个区格的消光系数和后向散射系数。

作为本发明进一步的方案：雷达位置、高度角和方位角计算三维任意扫描下光束经过的区格和在每个区格中传输的距离。

作为本发明进一步的方案：激光雷达的频率f、时间分辨率T、空间分辨率ΔX、量子效率η、单束脉冲的能量E₀、光学发射透过率T_L、光学接收透过率T_R、接收器面积Ar、波长λ用于带入雷达方程计算理想的回波信号；

接收视场角θ、滤波器带宽Δλ和暗计数率C_D工程参数用于计算噪声。

作为本发明进一步的方案：步骤二中大气中气溶胶粒子、水粒子和空气分子会对激光雷达光束产生散射和吸收效应；

通过瑞利散射理论，求得单个空气分子的平均消光截面和平均后向散射截面；通过米散射理论，求得单个气溶胶的消光截面和后向散射截面；结合各种粒子的谱分布函数和数密度，求得每个三维区格整体的消光系数和后向散射系数。

作为本发明进一步的方案：步骤三中当量子激光雷达的位置在(x₀,y₀,z₀)、高度角和方位角分别为Φ和δ时，c为光速，量子激光雷达光束沿着x，y，z方向的速度分量分别为：

三维空间内每个区格均由六个面包围：x＝x₁，x＝x₂，y＝y₁，y＝y₂，z＝z₁，z＝z₂，x＝x₁，y＝y₁，z＝z₁三个面定义为光束先经过的平面，x＝x₂，y＝y₂，z＝z₂三个面定义为光束后经过的平面，根据光束传播速度，计算到达六个平面的时间：

AABB盒理论证明：在三维区格内，区格只需满足公式(4)，即可判定为光线经过的区格；

在经过的第i个区格中传输的距离可表达为：

通过上述的“AABB盒”方法，即可准确计算任意扫描方式下激光雷达光束经过的区格以及在每个区格中传输的距离。

作为本发明进一步的方案：步骤四中根据雷达回波方程，量子激光雷达理想信号表达成公式(6)；

其中C_T为总脉冲数，ΔX为空间分辨率，c为光速，η为单光子计数器的量子效率，E₀为单束脉冲的能量，T_L为光学发射透过率，T_R为光学接收透过率，Ar为接收器面积，hc/λ为单个光子的能量，β和α分别为步骤二计算的后向散射系数和消光系数，r为探测位置到量子激光雷达的距离；其中量子效率η表示了被单光子计数器探测到的光子个数占到达单光子计数器的光子的比例，量子效率越高，单光子计数器探测到的理想信号光子越多，量子激光雷达的性能越好。

作为本发明进一步的方案：步骤五中量子激光雷达的噪声分为两部分，背景光噪声和暗计数噪声；其中背景光噪声受到天空背景辐射光亮度P_B、接收器的视场角θ和滤波片的带宽Δλ的影响，暗计数噪声受到单光子计数器自带的暗计数率C_D的影响；暗计数率越低，单光子计数器自带噪音越少，量子激光雷达性能越好；

作为本发明进一步的方案：步骤六中通过理想信号和噪声，计算模拟回波信号及信噪比，并输出文件；

N(r)＝N_s(r)+N_B+N_D (9)

本发明的有益效果：

量子激光雷达模拟器的模拟方法可以用于模拟量子激光雷达的回波信号，计算量子激光雷达的性能参数，有助于建立量子激光雷达的消光系数的水平反演算法。模拟器可以任意设定量子激光雷达的位置，因此该模拟器不仅适用于地基量子激光雷达，也适合于星载量子激光雷达的模拟；相比于传统激光雷达模拟器，量子激光雷达模拟器的模拟方法具有以下优点：

1、通过结合单光子计数器的工程参数，可以模拟任意波段的量子激光雷达在不同三维大气环境下的回波光子数。

2、通过“AABB盒”理论，准确计算了倾斜光束经过的三维空间的大气区格及在每个区格中的传输距离，从而可以模拟量子激光雷达不同扫描方式下的回波信号。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明量子激光雷达模拟器的模拟方法的流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1所示，本发明为量子激光雷达模拟器的模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、输入三维大气中的粒子类型、谱分布、数密度和量子激光雷达的工程参数；

步骤二、通过米散射和瑞利散射理论计算三维大气区格的消光系数和后向散射系数；

步骤三、通过"AABB盒”方法计算光束经过的区格及在每个区格中传输的距离；

步骤四、通过雷达回波方程和量子效率的量子激光雷达工程参数计算理想回波信号；

步骤五、通过暗计数的量子激光雷达工程参数计算噪声；

步骤六、输出模拟回波光子数信号及信噪比。

步骤一、输入三维大气中的粒子类型、谱分布、数密度和量子激光雷达的工程参数。量子激光雷达的工程参数包括工作波长、雷达位置、高度角、方位角、光学发射透过率、光学接收透过率、接收器半径、时间分辨率、空间分辨率、脉冲频率、接收视场角、滤波器带宽、量子效率和暗计数。步骤一中三维大气中的粒子类型、谱分布、数密度和波长计算每个区格的消光系数和后向散射系数。雷达位置、高度角和方位角计算三维任意扫描下光束经过的区格和在每个区格中传输的距离。激光雷达的频率f、时间分辨率T、空间分辨率ΔX、量子效率η、单束脉冲的能量E₀、光学发射透过率T_L、光学接收透过率T_R、接收器面积Ar、波长λ用于带入雷达方程计算理想的回波信号；接收视场角θ、滤波器带宽Δλ和暗计数率C_D工程参数用于计算噪声。

步骤二、大气中气溶胶粒子、水粒子和空气分子会对激光雷达光束产生散射和吸收效应；通过瑞利散射理论，求得单个空气分子的平均消光截面和平均后向散射截面；通过米散射理论，求得单个气溶胶的消光截面和后向散射截面；结合各种粒子的谱分布函数和数密度，求得每个三维区格整体的消光系数和后向散射系数。

步骤三、当量子激光雷达的位置在(x₀,y₀,z₀)、高度角和方位角分别为Φ和δ时，c为光速，量子激光雷达光束沿着x，y，z方向的速度分量分别为：

三维空间内每个区格均由六个面包围：x＝x₁，x＝x₂，y＝y₁，y＝y₂，z＝z₁，z＝z₂，x＝x₁，y＝y₁，z＝z₁三个面定义为光束先经过的平面，x＝x₂，y＝y₂，z＝z₂三个面定义为光束后经过的平面，根据光束传播速度，计算到达六个平面的时间：

AABB盒理论证明：在三维区格内，区格只需满足公式(4)，即可判定为光线经过的区格；

在经过的第i个区格中传输的距离可表达为：

通过上述的“AABB盒”方法，即可准确计算任意扫描方式下激光雷达光束经过的区格以及在每个区格中传输的距离。

步骤四、根据雷达回波方程，量子激光雷达理想信号表达成公式(6)；

其中C_T为总脉冲数，ΔX为空间分辨率，c为光速，η为单光子计数器的量子效率，E₀为单束脉冲的能量，T_L为光学发射透过率，T_R为光学接收透过率，Ar为接收器面积，hc/λ为单个光子的能量，β和α分别为步骤二计算的后向散射系数和消光系数，r为探测位置到量子激光雷达的距离；其中量子效率η表示了被单光子计数器探测到的光子个数占到达单光子计数器的光子的比例，量子效率越高，单光子计数器探测到的理想信号光子越多，量子激光雷达的性能越好。

步骤五、量子激光雷达的噪声分为两部分，背景光噪声和暗计数噪声；其中背景光噪声受到天空背景辐射光亮度P_B、接收器的视场角θ和滤波片的带宽Δλ的影响，暗计数噪声受到单光子计数器自带的暗计数率C_D的影响；暗计数率越低，单光子计数器自带噪音越少，量子激光雷达性能越好；

步骤六、通过理想信号和噪声，计算模拟回波信号及信噪比，并输出文件；

N(r)＝N_s(r)+N_B+N_D (9)

实施例2

在实施例1的基础上，本模拟器可模拟三维大气环境中激光雷达的回波信号，通过调整高度角和方位角，也可以模拟一维或二维区格中的量子激光雷达回波信号。

实施例3

在实施例1的基础上，模拟器支持两种输入，三维空间内的粒子数浓度分布和三维空间内的光学性质。如果输入的是三维空间的消光系数和后向散射系数，可直接跳过步骤二，进行模拟信号的计算。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.量子激光雷达模拟器的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、输入三维大气中的粒子类型、谱分布、数密度和量子激光雷达的工程参数；

步骤二、通过米散射和瑞利散射理论计算三维大气区格的消光系数和后向散射系数；

步骤三、通过"AABB盒”方法计算光束经过的区格及在每个区格中传输的距离；

步骤四、通过雷达回波方程和量子效率的量子激光雷达工程参数计算理想回波信号；

步骤五、通过暗计数的量子激光雷达工程参数计算噪声；

步骤六、输出模拟回波光子数信号及信噪比；

步骤三中当量子激光雷达的位置在(x₀,y₀,z₀)、高度角和方位角分别为Φ和δ时，c为光速，量子激光雷达光束沿着x，y，z方向的速度分量分别为：

三维空间内每个区格均由六个面包围：x＝x₁，x＝x₂，y＝y₁，y＝y₂，z＝z₁，z＝z₂，x＝x₁，y＝y₁，z＝z₁三个面定义为光束先经过的平面，x＝x_2，y＝y₂，z＝z₂三个面定义为光束后经过的平面，根据光束传播速度，计算到达六个平面的时间：

AABB盒理论证明：在三维区格内，区格只需满足公式(4)，即可判定为光线经过的区格；

在经过的第i个区格中传输的距离可表达为：

通过上述的“AABB盒”方法，即可准确计算任意扫描方式下激光雷达光束经过的区格以及在每个区格中传输的距离。

2.根据权利要求1所述的量子激光雷达模拟器的模拟方法,其特征在于，步骤一中量子激光雷达的工程参数包括工作波长、雷达位置、高度角、方位角、光学发射透过率、光学接收透过率、接收器半径、时间分辨率、空间分辨率、脉冲频率、接收视场角、滤波器带宽、量子效率和暗计数。

3.根据权利要求1所述的量子激光雷达模拟器的模拟方法,其特征在于，步骤一中三维大气中的粒子类型、谱分布、数密度和波长计算每个区格的消光系数和后向散射系数。

4.根据权利要求2所述的量子激光雷达模拟器的模拟方法,其特征在于，雷达位置、高度角和方位角计算三维任意扫描下光束经过的区格和在每个区格中传输的距离。

5.根据权利要求2所述的量子激光雷达模拟器的模拟方法,其特征在于，激光雷达的频率f、时间分辨率T、空间分辨率ΔX、量子效率η、单束脉冲的能量E₀、光学发射透过率T_L、光学接收透过率T_R、接收器面积Ar、波长λ用于带入雷达方程计算理想的回波信号；

接收视场角θ、滤波器带宽Δλ和暗计数率C_D工程参数用于计算噪声。

6.根据权利要求1所述的量子激光雷达模拟器的模拟方法,其特征在于，步骤二中大气中气溶胶粒子、水粒子和空气分子会对激光雷达光束产生散射和吸收效应；

通过瑞利散射理论，求得单个空气分子的平均消光截面和平均后向散射截面；通过米散射理论，求得单个气溶胶的消光截面和后向散射截面；结合各种粒子的谱分布函数和数密度，求得每个三维区格整体的消光系数和后向散射系数。

7.根据权利要求1所述的量子激光雷达模拟器的模拟方法,其特征在于，步骤四中根据雷达回波方程，量子激光雷达理想信号表达成公式(6)；

其中C_T为总脉冲数，ΔX为空间分辨率，c为光速，η为单光子计数器的量子效率，E₀为单束脉冲的能量，T_L为光学发射透过率，T_R为光学接收透过率，Ar为接收器面积，hc/λ为单个光子的能量，β和α分别为步骤二计算的后向散射系数和消光系数，r为探测位置到量子激光雷达的距离；其中量子效率η表示了被单光子计数器探测到的光子个数占到达单光子计数器的光子的比例。

8.根据权利要求7所述的量子激光雷达模拟器的模拟方法,其特征在于，步骤五中量子激光雷达的噪声分为两部分，背景光噪声和暗计数噪声；其中背景光噪声受到天空背景辐射光亮度P_B、接收器的视场角θ和滤波片的带宽Δλ的影响，暗计数噪声受到单光子计数器自带的暗计数率C_D的影响；

9.根据权利要求8所述的量子激光雷达模拟器的模拟方法,其特征在于，步骤六中通过理想信号和噪声，计算模拟回波信号及信噪比，并输出文件；

N(r)＝N_s(r)+N_B+N_D (9)

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