多次散射影响的激光雷达斜程能见度反演方法

针对低能见度天气条件下的多次散射影响,提出一种根据多次散射激光雷达方程反演斜程能见度的改进方法.首先,根据后向散射峰值拟合散射相函数,采用半解析蒙特卡罗法计算多次散射修正系数m;其次,根据Collis法求解能见度级数值,并将相应m值代入多次散射激光雷达方程;然后,采用Fernald法反演消光系数,求解斜程能见度;使用激...     

激光雷达观测斜程能见度反演方法

目前基于激光雷达测量能见度的反演算法可以较为准确地反演均匀大气条件下的水平能见度,对云雨雾等非均匀大气条件下斜程能见度的准确反演较为困难。为了准确探测复杂大气条件下的斜程能见度,分析了激光雷达探测大气能见度的反演算法,重点针对非均匀大气条件下能见度难以准确反演的问题,提出了一种将Collis斜率法与Klett后向法相结合的能见度反演迭代算法,适用于不同天气条件下不同倾角路径平均能见度的反演。利用车载式激光雷达系统对能见度进行了实际测量,实验表明:在均匀大气条件下,该迭代算法与广泛使用的Collis斜率法和Klett后向法完全吻合;对于非均匀大气条件,该迭代算法也可克服Collis斜率法和Klett后向法的局限,更为快速稳定准确地反演出需要的大气能见度信息。     

多次散射的卷云激光雷达比反演方法研究

提出了一种Mie散射激光雷达在考虑多次散射影响时求解卷云激光雷达比的新方法。首先,根据多次散射激光雷达方程,构建关于气溶胶消光系数边界值和卷云有效激光雷达比的非线性方程组;其次,采用非线性粒子群算法求解方程组,同时得到气溶胶消光系数边界值和卷云的有效激光雷达比;然后,使用Platt的多次散射因子方程,结合邱金桓参数化的多次散射对一次散射比,计算多次散射因子,进而求得卷云的激光雷达比。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了实验验证,结果表明,方法收敛速度快,精度较高,具有很好的应用价值。     

半导体激光雷达的斜程能见度测量方法

针对雾天或多云天气等不均匀大气中斜程能见度难以测量的问题,提出了利用905 nm半导体激光雷达探测大气斜程及水平能见度的方法,能够探测50～2 000 m能见度范围.介绍了半导体激光雷达的系统结构,利用激光雷达测量大气能见度的原理,探测大气斜程平均能见度值.详细阐述了一种稳定的通过大气消光系数反演能见度的迭代算法,可实现迭代边界值最大距离的自动化选取,提高了迭代结果的可靠性.通过模拟计算,对该迭代方法的精度进行了评估.结果显示:50、200、800、2 000 m的能见度,迭代精度分别为33%,2%,0.1%,0.3%,由于采样点少导致极低能见度的迭代精度较低.     

激光雷达斜程能见度的一种探测方法及其分析

提出利用激光雷达多仰角探测方法对大气斜程积分能见度测量的方案.该方案以大气光学厚度替代传统的利用大气消光系数分布求解斜程能见度,从而克服了在低能见度下,由于大气多次散射,斜程能见度难以测准的缺点,提高了探测精度,为飞机起飞着陆提供了较为准确的气象参数.利用Monte-Carlo方法模拟计算了3种大气消光分布情况下采用该方法测量的积分能见度.结果表明：在激光探测区域内和垂直高度相同的大气消光分布均匀的假设条件下,只要在设计激光雷达时,恰当选择系统参数（如激光脉冲能量、积分累计时间、窄带滤光片带宽等）使得信噪比满足一定的条件,该方法是可行的,且能见度探测误差不超过4.3%.     

多次散射的激光雷达消光系数反演方法研究

给出了在考虑多次散射时大气消光系数、后向散射系数的激光雷达反演方法.用半解析Monte-Carlo方法对大气多次散射激光雷达回波信号进行了模拟计算.讨论了激光雷达接收视场角(FOV)以及光学厚度对多次散射回波信号的影响.米散射激光雷达测量数据反演的结果表明,在反演含有云、雾等大气消光系数廓线分布时,需要考虑大气粒子的多次散射效应的影响.     

考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法

研究了考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法,对反演卷云高度和卷云激光雷达比的方法进行了改进。采用多次散射因子对卷云消光系数曲线进行修正,选取云底及云顶附近高度消光系数变化率的均值求解云层高度修正误差,对微分零交叉法求解得到的卷云高度进行修正,实现了较为精确的激光雷达云层高度反演。采用以边界值处消光系数和卷云光学厚度为约束条件的粒子群算法,求解卷云有效激光雷达比,选用半解析Monte Carlo方法,计算总散射信号与一次散射信号的比值,并结合Platt多次散射因子方程求得多次散射因子,实现了卷云激光雷达比的准确求解。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了验证。结果表明,该改进方法具有较高的精度,更具应用价值。     

便携式激光雷达能见度仪的研制

介绍了正在研制的用于较低能见度测量的便携式激光雷达能见度仪,给出了用能见度仪测量斜程能见度的测量原理,并分析了大气气溶胶消光后向散射比对能见度测量的影响。详细描述了便携式激光雷达能见度仪的系统结构和时序控制。便携式激光雷达能见度仪具有体积小,结构紧凑的特点,可用于机场等地斜程能见度的准确测量。     

多次散射影响下激光大气透射仪测量误差研究

针对多次散射影响激光大气透射仪的测量精度问 题,提出了不同能见度条件下的激光大气透射仪受 基线长度、接收机视场角以及多次散射影响的误差分析模型。首先,通过Monte Carlo 法和 Bouguer-Lamber 定律计算了消除和未消除多次散射的大气透过率;其次,根据仿真结果,对不同能见度条 件下多次散射 影响程度进行分析;最后,结合可变基线与可变接收机视场角的透射仪工作原理,给出能见 度误差分析模 型。结果表明,应用激光大气透射仪进行能见度测量时,能见度越低,多次散射对测量精度 的影响越严重, 选取适当的基线长度和接收机视场角对减小多次散射引起的测量误差有重要意义。     

基于相干多普勒激光雷达的斜程湍流参数反演方法研究

大气湍流广泛存在于大气中, 其中斜程湍流对航空航天、天文观测等会产生不可忽视的影响。一方面利用相 干多普勒测风激光雷达获得的高时空分辨风场探测数据, 另一方面基于Kolmogorov 局地均匀各项同性理论, 即在惯 性子区内湍流的特征只与湍能耗散率 ε 有关, 将速度结构函数法应用到飞机着陆阶段下滑道扫描模式中, 通过实测 数据的速度结构函数与模型速度结构函数最小二乘法拟合, 从而估算激光雷达扫描范围内的大气湍流参数 (径向风速 方差、湍流积分尺度和 ε 等)。根据下滑道扫描区域数据的时空分布特征, 给出大气湍流参数的斜程空间分布图, 并与 同步观测的飞机下滑道风切变强度数据进行了对比分析, 发现两者具有较好的一致性, 证实了斜程湍流参数反演方 法的可靠性。     

后向散射式激光雷达能见度探测研究

根据大气后向散射原理,设计了一台激光雷达能见度仪.在详细介绍系统结构的基础上,阐述了回波信号的数据校准方法,通过采用一种新的基于Fernald方法的迭代算法反演消光系数,获得了较高的能见度测量精度.与美国Belford能见度仪的外场对比实验表明,该激光雷达能见度仪相对测量误差在20%以内.     

模拟环境中能见度透射测量与散射测量比对

能见度是气象、环境和交通观测的重要参数,针对不同原理能见度测量设备没有统一的测试环境和定标标准的问题,设计了能见度环境模拟舱。采用造雾和净化组合实现10 m^50 km能见度模拟。寻找模拟舱内空气均匀度监控方法,消除由空气不均匀带来的误差。研制了一种新型能见度透射式测量系统。积分球对光源能量监控和光信号接收起到重要作用,消除光源不稳定带来的误差。望远镜接收光束减小了光路调节的压力。白色LED光源受外部高频调制,信号测量端同步解调,有效消除外界光干扰。准直和扩束透镜组将光源发散角控制在1 mrad。反射光路实现了有限空间光程的增加,缩短了系统的安装基线。开展了实验室内模拟能见度测量实验,通过积分浊度计传递定标参数,结果表明两个系统在1.7~20 km测试区间相对偏差小于5%.与前向散射能见度仪对比,测量误差约10%,统一定标后测量误差减小到约5%。模拟舱控制系统结构合理,透射式测量系统稳定。     

一种顾及表面间多次散射的热辐射方向性模型

利用辐射换热角系数描述了非同温异质表面间的多次散射效应,据此建立热辐射方向性模型,并对模型的数值计算进行了讨论.将模型应用于行结构目标,结合孔隙率模型模拟其方向亮温(Directional Brightness Tempera-ture,DBT)变化规律.结果表明,模拟得到的规律与地面观测结果具有较高的一致性,平均偏差在0.5 K以内.同时发现,多次散射效应增强了目标DBT,但对DBT的变化幅度又起平滑作用;目标组分的温差、几何结构、发射率均可导致DBT发生变化,温差越大,表面越凹,发射率越小,DBT随观测角度变化的程度越剧烈;模型可以解释热辐射中的"热点效应",认为"热点"的产生主要与组分温度空间分布有关.模型对于研究发射率方向性,城市热红外遥感反演及热红外邻近像元影响等问题可提供参考或思路.     

后向散射式小型激光雷达能见度仪探测研究

为了满足在不良气象条件下,机场飞机安全起降对能见度的观测需求,基于后向散射原理设计了一台小型激光雷达能见度仪。该系统采用具有低脉冲能量、高脉冲重复频率的二极管抽运固体激光器和具有低噪声、高量子效率的雪崩光电二极管探测器,确保了系统的测量精确性;并采用嵌入式计算机作为系统的控制和数据处理核心,实现了对系统工作时序的控制。经过多次外场测试,能见度测量数据总体误差小于15%。结果表明,该系统具有较高的探测精度,完全满足国际民航组织对于能见度观测设备精确度的要求。     

Elastic Multiple Scattering By Randomly Distributed Spherical Scatterers

Starting from the basic integral equation for multiple scattered fields,a set of coupledlinear equations for the expansion coefficients of elastic multiple scattered fields by randomlydistributed spherical scatterers has been derived by using the expansions of the fields and thetranslational addition theorems of vector spherical wave functions.Thus,a new theory for thiskind of problems is developed.Different from the others,this theory gives the multiple elasticallyscattered fields in all space regions.     

基于扩展球谐函数的多次散射理论分析

粒子的单次散射在一定程度上描述了光的传播特征。但在实际情况中,单次散射不足以描述传播过程的全貌。因此,我们必须考虑粒子的多次散射效应,以得到对光传播问题的一个完整描述。在本文中,我们首先建立散射传输方程,在求解散射传输方程中引入了辅助函数,然后再利用球谐函数对辅助函数进行扩展,导出了多次散射方程的解。