CN117784101B - 一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统 - Google Patents
一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117784101B CN117784101B CN202410210816.0A CN202410210816A CN117784101B CN 117784101 B CN117784101 B CN 117784101B CN 202410210816 A CN202410210816 A CN 202410210816A CN 117784101 B CN117784101 B CN 117784101B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- atmospheric
- satellite
- borne
- laser radar
- lidar
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 94
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 claims abstract description 30
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 27
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 24
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 32
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 23
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 claims description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 2
- 241000673185 Aeolus Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统，包括大气分子瑞利散射计算、云层和地表散射强度计算和大气激光雷达硬件收发特性仿真，其中大气温度、压强和臭氧浓度廓线由模型或者由实际观测数据提供，太阳天顶角、云层、气溶胶层和地表散射特性可任意输入，大气激光雷达的激光能量、重复频率、发散角和接收通道的光学特征可自定义，用于仿真在不同地表、云层、气溶胶、太阳天顶角和系统参数下的回波信号。本发明解决了星载大气激光雷达信号仿真的难题，可定量计算不同硬件参数条件下的星载大气激光雷达探测性能，为星载大气激光雷达硬件参数设计和优化提供了定量参考依据。
Description
技术领域
本发明属于大气遥感技术领域，具体涉及一种针对主动遥感手段的星载大气激光雷达信号仿真方法及系统。
背景技术
大气激光雷达是一种利用脉冲式激光对大气颗粒物、温度、湿度和风场进行探测的主动遥感设备，具备高时空分辨率。根据大气激光雷达搭载平台的不同，可以将其分为地基大气激光雷达、车载大气激光雷达、机载大气激光雷达和星载大气激光雷达。地基大气激光雷达一般固定在特定观测地点，对特定地点垂直向上做连续观测或转载扫描装置对数十公里范围内大气状态进行监测；车载或机载大气激光雷达可以对数百公里范围内大气进行监测，从而获取大气颗粒物和温湿度场的变化规律；随着激光技术的发展，大气激光雷达能够搭载到卫星平台上，监测全球范围内的大气状态，并能精确提供垂直高度上的大气结构。美国航空航天局联合法国航天局于2006年发射了第一颗搭载有大气激光雷达的卫星CALIPSO，用于探测全球范围内颗粒物和云层的垂直分布。在这之后于2018年，欧空局发射了第一颗用于全球三维风场监测的大气激光雷达卫星Aeolus。我国于2022年4月和8月，分别发射了搭载有用于全球二氧化碳、颗粒物和云层监测激光雷达的卫星“大气一号”和搭载有用于气溶胶监测激光雷达的卫星“陆地生态碳卫星”。由上可知，用于大气垂直信息监测的大气激光雷达卫星技术研究和应用正处于快速发展阶段。
星载大气激光雷达的观测能力和观测效果取决于系统硬件参数的设计。作为星载大气激光雷达的核心，激光器的重频、单脉冲能量、带宽和发散角直接决定对气溶胶层的定量探测能力。激光器能量太强，会引起探测器饱和；而激光器能量太弱，则无法有效探测弱的气溶胶层。望远镜的口径也是决定探测信号强度的关键参数。较大的望远镜口径能提升对弱气溶胶层的探测效果，但是同时望远镜造价也会指数式上升。探测通道滤光片带宽会对星载大气激光雷达白天探测效果起到决定影响，一般滤光片带宽越窄，其对太阳光的抑制效果越好。但是受制于发射激光器带宽和当前的光学工艺，滤光片的带宽不能无限小。如何对激光器的重频、单脉冲能量、带宽和发射角，望远镜的直径和滤光片的带宽进行优化设计，是提升星载大气激光雷达探测能力的关键问题之一。如何验证在预算范围内所选取的硬件参数能达到的探测性能，是工程技术人员需要权衡的一个重要问题。而大气激光雷达载荷的设计目前仍主要依赖于工程技术人员的经验，缺少定量的评判标准。开发星载大气激光雷达信号仿真系统，对具有不同硬件参数的星载大气激光雷达的信号强度进行仿真，可有效提升设计效率，并为系统优化提供定量参考。
星载大气激光雷达的实际探测场景包括白天、夜间、雪地、海面、浓雾和沙尘等，不同场景对应的背景信号强度差异大。光学探测器的动态范围有限，需要精准适配不同场景背景信号的动态范围。一般用于验证星载大气激光雷达性能的机载实验，花费较大，且难以实现对不同实际探测场景的验证。因此需要开发星载大气激光雷达信号仿真系统，对不同场景下的星载大气激光雷达的信号强度进行仿真。
当前欧美国家在星载激光雷达项目预研阶段都会开发用于星载激光雷达信号模拟的软件，如用于CALIPSO（双波长偏振激光雷达）信号仿真的CaliopSim和用于EarthCARE（紫外高光谱激光雷达）信号仿真的ECSim。这些模拟器的开发过程针对各自的任务场景进行了优化，如CaliopSim在系统光电器件建模上进行了更多优化，因此能更好地反应探测器件的在轨效应。ECSim针对云层探测过程进行深入建模，仿真了由于多次散射效应产生的信号增强效益。但是当前主流的星载激光雷达信号模拟方法主要针对单一场景下的信号仿真，难以应对气溶胶、云层和不同地表等复杂多元化场景下的回波信号评估需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种针对星载大气激光雷达信号的仿真方法和系统，用于仿真不同轨道特征、系统参数和观测场景下的星载大气激光雷达信号廓线。
本发明提供一种星载大气激光雷达信号仿真方法，包括以下步骤：
步骤1，对星载大气激光雷达系统的发射模块进行仿真，得到经过扩束后的激光发散角；
步骤2，计算不同高度层的大气分子后向散射系数和消光系数；
步骤3，利用太阳辐射与不同散射体之间的作用关系，计算星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度；
步骤4，根据星载激光雷达系统接收模块和发射模块的空间关系，以及接收模块的光电特征，模拟接收模块实际探测到的信号廓线。
而且，所述步骤1中假设出射激光的发散角为，扩束镜的扩束倍率为/>，则经扩束后的激光束发散角为/>。
而且，所述步骤2中根据大气瑞利散射机制，计算大气分子散射截面、臭氧的吸收截面，利用给定的温度和压强廓线，结合理想气体方程计算大气分子数浓度，利用大气分子散射截面、臭氧的吸收截面和大气分子数浓度廓线，计算不同高度层的大气分子后向散射系数和消光系数，具体计算公式如下：
（1）
（2）
式中，为高度/>处的大气分子后向散射系数，/>为出射激光波长，/>为大气分子散射截面，/>为高度/>处的大气分子消光系数，/>为高度/>处臭氧分子的数浓度廓线，/>为臭氧分子吸收截面，/>表示第/>个距离门，/>为高度/>处的分子数浓度，具体计算方式为：
（3）
式中，和/>分别为高度/>处的大气温度和压强。
而且，所述步骤3中在给定太阳天顶角和地表特性时，星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度计算方式如下：
（4）
式中，为星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度，/>为卫星轨道高度，/>为出射激光波长，/>表示由大气分子散射太阳光产生的太阳背景强度，/>表示由地表散射太阳光产生的太阳背景强度，/>表示由光学上厚的云层或气溶胶层散射产生的太阳背景强度，/>表示在波长/>处从卫星轨道高度/>到/>处的大气分子透过率，由下式计算：
（5）
式中，为出射激光波长，/>表示卫星轨道高度，/>表示最高的距离门，/>为高度/>处的大气分子消光系数。
根据大气分子散射角度分布特性和透过率，计算经大气分子散射的太阳辐射强度，具体计算方式为：
（6）
式中，表示由大气分子散射太阳光产生的太阳背景强度，/> ，/>表示太阳光谱辐照度，/>为瑞利散射相函数，/>为圆周率，/>为太阳天顶角的余弦值，/>表示在波长/>处的整层大气的透过率。
根据输入的云层和气溶胶层的光学特性，计算由云层和气溶胶层散射的太阳辐射强度，具体计算方式为：
（7）
式中，表示由光学上厚的云层或气溶胶层散射产生的太阳背景强度，/> ，/>表示太阳光谱辐照度，/>为太阳天顶角的余弦值，/>为云层或气溶胶层的反照率，/>为圆周率。
根据地表反照率，计算经由地表散射的太阳辐射强度，具体计算方式为：
（8）
式中，表示由地表散射太阳光产生的太阳背景强度，/> ，表示太阳光谱辐照度，/>为太阳天顶角的余弦值，/>为地表反照率，/>为圆周率。
而且，所述步骤4中定义坐标系原点为望远镜视场中心，x轴为望远镜中心与激光束中心连线方向，正方向为朝着望远镜方向，z轴为望远镜光轴方向，正方向朝下，y轴垂直平面xOz，正方向为任意方向，则激光雷达系统重叠因子由如下公式计算：
（9）
式中，和/>分别表示极坐标积分变量，/>为圆周率，/>为望远镜视场角，/>为扩束镜的扩束倍率，/>为高度/>处的激光束束腰宽度，/>为高度/>处激光束中心与望远镜视场中心的距离，由如下公式计算：
（10）
式中，和/>分别表示激光束与望远镜平面平行时，激光束光斑中心与望远镜视场中心的距离在x轴和y轴的分量；/>和/>分别表示激光束指向与望远镜光轴夹角在x轴和y轴的分量。
根据接收通道光学滤光片带宽和中心波长，计算经过光学处理系统后的信号强度，根据光电转换器件的量子效率和暗计数特征，计算经过光电转换后的光子信号，星载激光雷达最终的回波光子数计算公式为：
（11）
（12）
式中，表示总的后向散射系数，包括大气分子、气溶胶和云层的贡献；/>为到高度/>处的透过率，由气溶胶、云层和大气分子透过率共同决定；/>为发射模块的光学透过率；/>为单脉冲能量；/>为出射激光波长；h表示普朗克常数；c表示光速；mA为望远镜的有效接收面积；/>为接收模块的光学透过率；/>为激光雷达重叠因子；/>为星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度；/>和/>分别为光学分光系统对回波信号和太阳背景的整体透过率；/>为总的太阳背景强度；/>为太阳背景散射信号的接收面积。
根据光子信号的量子特性，叠加泊松分布噪声，得到最终的回波信号廓线，其中泊松分布的均值为。
本发明还提供一种星载大气激光雷达信号仿真系统，用于实现如上所述的一种星载大气激光雷达信号仿真。
而且，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种星载大气激光雷达信号仿真。
或者，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种星载大气激光雷达信号仿真。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明可仿真不同雷达系统参数情形下的星载大气激光雷达信号廓线，用于系统性能验证；本发明可以仿真不同地表类型和太阳天顶角情形下的星载大气激光雷达信号廓线，用于不同观测场景下系统探测性能验证，从而为星载大气激光雷达系统设计提供定量参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明星载大气激光雷达信号仿真方法的流程图。
图2为本发明星载大气激光雷达与探测目标作用的示意图。
图3为本发明星载大气激光雷达重叠因子计算原理示意图。
图4为本发明星载大气激光雷达激光束指向与望远镜视场三维结构示意图。
图5为本发明星载大气激光雷达接收望远镜主镜面处横截面图。
图6为本发明实施例中信号仿真采用的典型大气温度、大气压强和臭氧分子数浓度的高度分布图。
图7为本发明实施例中信号仿真采用的典型气溶胶和云层消光系数和后向散射系数的高度分布图。
图8为本发明实施例得到的仿真信号廓线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种星载大气激光雷达信号仿真方法，包括以下几个步骤：
步骤1，对星载大气激光雷达系统的发射模块进行仿真，得到经过扩束后的激光发散角。
假设出射激光的发散角为，扩束镜的扩束倍率为/>，则经扩束后的激光束发散角为/>。
步骤2，根据大气瑞利散射机制，计算大气分子散射截面、臭氧的吸收截面，利用给定的温度和压强廓线，结合理想气体方程计算大气分子数浓度，利用大气分子散射截面、臭氧的吸收截面和大气分子数浓度廓线/>，计算不同高度层的大气分子后向散射系数和消光系数。
大气分子后向散射系数和消光系数的计算公式分别为：
（1）
（2）
式中，为高度/>处的大气分子后向散射系数；/>为出射激光波长；/>为大气分子散射截面；/>为高度/>处的大气分子消光系数；/>为高度/>处臭氧分子的数浓度廓线；/>为臭氧分子吸收截面，臭氧在特定波段的吸收截面可由中分辨率大气辐射传输模型（MODTRAN）输出的查找表得到；/>表示第/>个距离门，本实施例中每个距离门的分辨率为30米；/>为高度/>处的分子数浓度，由以下公式计算：
（3）
式中，和/>分别为高度/>处的大气温度和压强。
步骤3，利用太阳辐射与不同散射体之间的作用关系，计算星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度。
如图2所示，太阳辐射可以分别由大气分子、云或气溶胶层、地面散射，这些散射光的强弱主要与太阳的天顶角和云-地表的辐射传输特性有关，在给定太阳天顶角和地表特性时，星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度可以根据公式（4）进行计算。
（4）
式中，为星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度，/>为卫星轨道高度，/>为出射激光波长，/>表示由大气分子散射太阳光产生的太阳背景强度，/>表示由地表散射太阳光产生的太阳背景强度，/>表示由光学上厚的云层或气溶胶层散射产生的太阳背景强度，/>表示在波长/>处从卫星轨道高度/>到/>处的大气分子透过率，可由下式计算：
（5）
式中，为出射激光波长；/>表示卫星轨道高度；/>表示最高的距离门，本实施例取80km；/>为高度/>处的大气分子消光系数。
根据大气分子散射角度分布特性和透过率，计算经大气分子散射的太阳辐射强度，具体计算方式为：
（6）
式中，表示由大气分子散射太阳光产生的太阳背景强度，/> ，/>表示太阳光谱辐照度，/>为瑞利散射相函数，/>为圆周率，/>为太阳天顶角的余弦值，/>表示在波长/>处的整层大气的透过率。
根据输入的云层和气溶胶层的光学特性，计算由云层和气溶胶层散射的太阳辐射强度，具体计算方式为：
（7）
式中，表示由光学上厚的云层或气溶胶层散射产生的太阳背景强度，/> ，/>表示太阳光谱辐照度，/>为太阳天顶角的余弦值，/>为云层或气溶胶层的反照率，/>为圆周率。
根据地表反照率，计算经由地表散射的太阳辐射强度，具体计算方式为：
（8）
式中，表示由地表散射太阳光产生的太阳背景强度，/> ，表示太阳光谱辐照度，/>为太阳天顶角的余弦值，/>为地表反照率，/>为圆周率。
步骤4，根据星载激光雷达系统接收模块和发射模块的空间关系，以及接收模块的光电特征，模拟接收模块实际探测到的信号廓线。
重叠因子表示激光雷达接收模块对回波信号的接收能力，其与望远镜、回波信号之间的距离相关，二者距离越近，望远镜的接收能力越弱，重叠因子值越小。图3展示了星载大气激光雷达重叠因子的计算原理，其中为海拔高度/>处激光束光斑中心，/>为望远镜视场中心，/>为海拔高度/>处望远镜视场中心与光斑中心的距离，假设在海拔高度处激光能量呈高斯分布，激光雷达接收模块对距离/>处光斑的接收能力为落到望远镜视场内能量（图3中虚线区域）占海拔高度/>处激光能量的比例，具体计算公式如下：
（9）
式中，为激光雷达系统重叠因子，/>和/>分别表示极坐标积分变量，/>为圆周率，/>为望远镜视场角，/>为扩束镜的扩束倍率，/>为高度/>处的激光束束腰宽度，/>为高度/>处激光束中心与望远镜视场中心的距离。
如图4所示，定义坐标系原点为望远镜视场中心，x轴为望远镜中心与激光束中心连线方向，正方向为朝着望远镜方向，z轴为望远镜光轴方向，正方向朝下，y轴垂直平面xOz，正方向为任意方向，则高度/>处激光束中心与望远镜视场中心的距离/>可通过下式计算：
（10）
式中，和/>分别表示激光束与望远镜平面平行时，激光束光斑中心与望远镜视场中心的距离在x轴和y轴的分量（见图5）；/>和/>分别表示激光束指向与望远镜光轴夹角在x轴和y轴的分量。
根据接收通道光学滤光片带宽和中心波长，计算经过光学处理系统后的信号强度，根据光电转换器件的量子效率和暗计数特征，计算经过光电转换后的光子信号，星载激光雷达最终的回波光子数计算公式为：
（11）
（12）
式中，表示总的后向散射系数，包括大气分子、气溶胶和云层的贡献；/>为到高度/>处的透过率，由气溶胶、云层和大气分子透过率共同决定；/>为发射模块的光学透过率；/>为单脉冲能量；/>为出射激光波长；h表示普朗克常数；c表示光速；mA为望远镜的有效接收面积；/>为接收模块的光学透过率；/>为激光雷达重叠因子；/>为星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度；/>和/>分别为光学分光系统对回波信号和太阳背景的整体透过率；/>为总的太阳背景强度；/>为太阳背景散射信号的接收面积。
根据光子信号的量子特性，叠加泊松分布噪声，得到最终的回波信号廓线，其中泊松分布的均值为。
假设设计一种用于气溶胶和云层观测的双波长星载大气激光雷达系统，具有532nm和1064 nm弹性探测通道，系统参数如下表所示：
表1 一种双波长星载大气激光雷达硬件配置参数表
假设卫星运行高度为506千米，532 nm地表反照率为0.1，1064 nm地表反照率为0.1，太阳天顶角为40度，532 nm处的太阳光谱辐照度为1848.0 Wm-1µm-1，1064 nm处的太阳光谱辐照度/>为668.0 Wm-1µm-1，仿真采用的温度、压强和臭氧浓度廓线如图6所示，臭氧在532 nm波段的吸收截面为2.73×10-25 m2，在1064 nm波段处的吸收效应可以忽略不计，采集信号的距离分辨率为30 m，仿真采用的云层和气溶胶层后向散射系数和消光系数如图7所示。基于上述参数，使用本发明所提方法得到的仿真激光雷达信号廓线如图8所示，其中左图为总后向散射信号，右图中实线为由散射体散射激光得到的目标散射信号，点画线表示由太阳背景散射形成的背景信号。
实施例2
基于同一发明构思，本发明还提供一种星载大气激光雷达信号仿真系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的程序指令执行如上所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法。
实施例3
基于同一发明构思，本发明还提供一种星载大气激光雷达信号仿真系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法。
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例，做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (9)
1.一种星载大气激光雷达信号仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对星载大气激光雷达系统的发射模块进行仿真，得到经过扩束后的激光发散角；
步骤2，计算不同高度层的大气分子后向散射系数和消光系数；
步骤3，利用太阳辐射与不同散射体之间的作用关系，计算星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度；
步骤4，根据星载激光雷达系统接收模块和发射模块的空间关系，以及接收模块的光电特征，模拟接收模块实际探测到的信号廓线；
根据接收通道光学滤光片带宽和中心波长，计算经过光学处理系统后的信号强度，根据光电转换器件的量子效率和暗计数特征，计算经过光电转换后的光子信号，星载激光雷达最终的回波光子数计算公式为：
（11）
（12）
式中，表示总的后向散射系数，包括大气分子、气溶胶和云层的贡献；/>为到高度/>处的透过率，由气溶胶、云层和大气分子透过率共同决定；/>为发射模块的光学透过率；/>为单脉冲能量；/>为出射激光波长/> h表示普朗克常数；c表示光速；mA为望远镜的有效接收面积；/>为接收模块的光学透过率；/>为激光雷达重叠因子；/>为星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度；/>和/>分别为光学分光系统对回波信号和太阳背景的整体透过率；/>为总的太阳背景强度；/>为太阳背景散射信号的接收面积；
根据光子信号的量子特性，叠加泊松分布噪声，得到最终的回波信号廓线，其中泊松分布的均值为。
2.如权利要求1所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法，其特征在于：步骤1中假设出射激光的发散角为，扩束镜的扩束倍率为/>，则经扩束后的激光束发散角为。
3.如权利要求1所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法，其特征在于：步骤2中根据大气瑞利散射机制，计算大气分子散射截面、臭氧的吸收截面，利用给定的温度和压强廓线，结合理想气体方程计算大气分子数浓度，利用大气分子散射截面、臭氧的吸收截面和大气分子数浓度廓线，计算不同高度层的大气分子后向散射系数和消光系数，具体计算公式如下：
（1）
（2）
式中，为高度/>处的大气分子后向散射系数，/>为出射激光波长，/>为大气分子散射截面，/>为高度/>处的大气分子消光系数，/>为高度/>处臭氧分子的数浓度廓线，/>为臭氧分子吸收截面，/>表示第/>个距离门，/>为高度/>处的分子数浓度，具体计算方式为：
（3）
式中，和 />分别为高度/>处的大气温度和压强。
4.如权利要求1所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法，其特征在于：步骤3中在给定太阳天顶角和地表特性时，星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度计算方式如下：
（4）
式中，为星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度，/>为卫星轨道高度，/>为出射激光波长，/>表示由大气分子散射太阳光产生的太阳背景强度，/>表示由地表散射太阳光产生的太阳背景强度，/>表示由光学上厚的云层或气溶胶层散射产生的太阳背景强度，/>表示在波长/>处从卫星轨道高度/>到/>处的大气分子透过率，由下式计算：
（5）
式中，为出射激光波长，/>表示卫星轨道高度，/>表示最高的距离门，/>为高度/>处的大气分子消光系数。
5.如权利要求4所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法，其特征在于：步骤3中大气分子散射太阳光产生的太阳背景强度计算方式为：
（6）
式中， ，/>表示太阳光谱辐照度，/>为瑞利散射相函数，/>为圆周率，/>为太阳天顶角的余弦值，/>表示在波长/>处的整层大气的透过率。
6.如权利要求4所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法，其特征在于：步骤3中云层或气溶胶层散射太阳光产生的太阳背景强度计算方式为：
（7）
式中， ，/>表示太阳光谱辐照度，/>为太阳天顶角的余弦值，为云层或气溶胶层的反照率，/>为圆周率。
7.如权利要求4所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法，其特征在于：步骤3中地表散射太阳光产生的太阳背景强度计算方式为：
（8）
式中， ， />表示太阳光谱辐照度，/>为太阳天顶角的余弦值，为地表反照率，/>为圆周率。
8.如权利要求1所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法，其特征在于：步骤4中定义坐标系原点为望远镜视场中心，x轴为望远镜中心与激光束中心连线方向，正方向为朝着望远镜方向，z轴为望远镜光轴方向，正方向朝下，y轴垂直平面xOz，正方向为任意方向，则激光雷达系统重叠因子计算公式如下：
（9）
式中，和/>分别表示极坐标积分变量，/>为圆周率，/>为望远镜视场角，/>为扩束镜的扩束倍率，/>为高度/>处的激光束束腰宽度，/>为高度/>处激光束中心与望远镜视场中心的距离，由如下公式计算：
（10）
式中，和/>分别表示激光束与望远镜平面平行时，激光束光斑中心与望远镜视场中心的距离在x轴和y轴的分量；/>和/>分别表示激光束指向与望远镜光轴夹角在x轴和y轴的分量。
9.一种星载大气激光雷达信号仿真系统，其特征在于，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的程序指令执行如权利要求1-8任一项所述的一种星载大气激光雷达信号仿真方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410210816.0A CN117784101B (zh) | 2024-02-27 | 2024-02-27 | 一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410210816.0A CN117784101B (zh) | 2024-02-27 | 2024-02-27 | 一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117784101A CN117784101A (zh) | 2024-03-29 |
| CN117784101B true CN117784101B (zh) | 2024-05-10 |
Family
ID=90381909
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410210816.0A Active CN117784101B (zh) | 2024-02-27 | 2024-02-27 | 一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117784101B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118050697B (zh) * | 2024-04-16 | 2024-06-18 | 中国电子科技集团公司第十四研究所 | 一种基于模拟器的天基对空探测流程验证方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7656526B1 (en) * | 2006-07-21 | 2010-02-02 | University Corporation For Atmospheric Research | Lidar system for remote determination of calibrated, absolute aerosol backscatter coefficients |
| KR101751642B1 (ko) * | 2016-06-08 | 2017-06-28 | 강릉원주대학교산학협력단 | 대기 관측용 라이다의 소산계수 보정방법 |
| CN111060899A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-24 | 武汉大学 | 星地一体化激光雷达回波波形仿真方法及系统 |
| CN113138398A (zh) * | 2020-01-17 | 2021-07-20 | 中国海洋大学 | 一种基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法 |
| CN114114324A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-01 | 武汉大学 | 针对星载激光雷达和高光谱仪的大气co2浓度协同反演方法 |
| WO2022102951A1 (ko) * | 2020-11-12 | 2022-05-19 | 부경대학교 산학협력단 | 라이다를 이용한 미세먼지 판독 방법 |
| CN115639572A (zh) * | 2022-09-19 | 2023-01-24 | 北京空间机电研究所 | 一种星载风、温、气溶胶同步观测激光雷达 |
| CN115935719A (zh) * | 2023-02-23 | 2023-04-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统 |
| CN116466368A (zh) * | 2023-06-16 | 2023-07-21 | 成都远望科技有限责任公司 | 基于激光雷达和卫星资料的沙尘消光系数廓线估算方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110967704B (zh) * | 2018-09-30 | 2021-09-07 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 多波长测量大气二氧化碳浓度及气溶胶垂直廓线的激光雷达系统装置 |
-
2024
- 2024-02-27 CN CN202410210816.0A patent/CN117784101B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7656526B1 (en) * | 2006-07-21 | 2010-02-02 | University Corporation For Atmospheric Research | Lidar system for remote determination of calibrated, absolute aerosol backscatter coefficients |
| KR101751642B1 (ko) * | 2016-06-08 | 2017-06-28 | 강릉원주대학교산학협력단 | 대기 관측용 라이다의 소산계수 보정방법 |
| CN111060899A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-24 | 武汉大学 | 星地一体化激光雷达回波波形仿真方法及系统 |
| CN113138398A (zh) * | 2020-01-17 | 2021-07-20 | 中国海洋大学 | 一种基于无人机大气激光雷达的气溶胶消光系数反演方法 |
| WO2022102951A1 (ko) * | 2020-11-12 | 2022-05-19 | 부경대학교 산학협력단 | 라이다를 이용한 미세먼지 판독 방법 |
| CN114114324A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-03-01 | 武汉大学 | 针对星载激光雷达和高光谱仪的大气co2浓度协同反演方法 |
| CN115639572A (zh) * | 2022-09-19 | 2023-01-24 | 北京空间机电研究所 | 一种星载风、温、气溶胶同步观测激光雷达 |
| CN115935719A (zh) * | 2023-02-23 | 2023-04-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种空中目标光子计数激光雷达探测仿真的方法和系统 |
| CN116466368A (zh) * | 2023-06-16 | 2023-07-21 | 成都远望科技有限责任公司 | 基于激光雷达和卫星资料的沙尘消光系数廓线估算方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Asian dust impacts on heterogeneous ice formation at Wuhan based on polarization lidar measurements;殷振平;Atmospheric Environment;20211231;第246卷;1-14 * |
| 差分吸收大气ＣＯ２激光雷达的大气压力增宽修正算法;马昕 等;光学学报;20121130;第32卷(第11期);1-6 * |
| 星载激光雷达探测能力的数值模拟分析;刘厚通;王珍珠;李超;黄威;周军;;激光技术;20081225(第06期);614-617 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117784101A (zh) | 2024-03-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN117784101B (zh) | 一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统 | |
| CN111060899B (zh) | 星地一体化激光雷达回波波形仿真方法及系统 | |
| Henderson et al. | Wind lidar | |
| Kobayashi | Techniques for laser remote sensing of the environment | |
| Amediek et al. | Airborne lidar reflectance measurements at 1.57 μm in support of the A-SCOPE mission for atmospheric CO 2 | |
| Sabatini et al. | Airborne laser systems for atmospheric sounding in the near infrared | |
| CN111239713A (zh) | 一种星载单光子激光雷达的最大测量深度评估方法 | |
| CN108287350A (zh) | 基于多信息综合的天基空中目标探测关键参数确定方法 | |
| Weibring et al. | Optical monitoring of volcanic sulphur dioxide emissions—comparison between four different remote-sensing spectroscopic techniques | |
| Popovici et al. | Description and applications of a mobile system performing on-road aerosol remote sensing and in situ measurements | |
| Pedersen et al. | Empirical modeling of plasma clouds produced by the Metal Oxide Space Clouds experiment | |
| Wang et al. | Introduction to LiDAR remote sensing | |
| Hu | Theory and technology of laser imaging based target detection | |
| Reitebuch et al. | Doppler Wind Lidar | |
| Myneni et al. | Simulation of space measurements of vegetation canopy bidirectional reflectance factors | |
| CN115453501B (zh) | 量子激光雷达模拟器的模拟方法 | |
| Yabuki et al. | A scanning Raman lidar for observing the spatio-temporal distribution of water vapor | |
| Youmans et al. | Dust-cloud density estimation using a single wavelength lidar | |
| Anna et al. | Physical modelling of point-cloud (3d) and full-wave-form (4d) laser imaging | |
| Hassebo | Active remote sensing: LiDAR SNR improvements | |
| Morris Ii | Radiometric simulation of LADAR imaging for underwater environments | |
| Riviere et al. | Active imaging models and systems to see through adverse conditions: application to the surveillance of an aircraft environment | |
| Riviere et al. | Active imaging systems to perform the strategic surveillance of an aircraft environment in bad weather conditions | |
| Hanjra | Analysis of Space to Ground Ladar Performance with Non-Traditional Optics | |
| Fuyu et al. | Simulation of earth background radiation characteristic for satellite borne laser warning system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |