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        多視場法在基于雙端激光雷達的大氣探測實驗中的應(yīng)用

        2013-12-24 06:39:36尹紅偉周勇壯劉陽洋藍天鵬
        大學(xué)物理實驗 2013年2期
        關(guān)鍵詞:雙端蒙特卡羅視場

        尹紅偉,周勇壯,劉陽洋,陳 恬,藍天鵬

        (國防科技大學(xué),湖南 長沙 410073)

        激光雷達是大氣光學(xué)探測的一種重要手段,按其結(jié)構(gòu)的不同可分為單端和雙端兩種。傳統(tǒng)的單端激光雷達只能測量后向散射信號,而雙端激光雷達可以測量各向散射信號。通過雙端激光雷達已進行了多次大氣探測實驗,獲得了豐富的大分布數(shù)據(jù),如氣溶膠的粒徑分布和折射率[1-2]、大氣的 Mueller 矩陣[3-4]、水云粒子的粒徑[5-6]等。文獻[1-6]中的接收端都是光電倍增管,工作中需要角度掃描;通過使用 CCD[7-8]作接收端,可一次獲得大氣剖面的特征而無須角度掃描[9-12]。實驗中散射角度的測量范圍為90~180°。

        雙端激光雷達的接收端接收到的散射信號包括單次和多次散射信號,其中單次散射只發(fā)生在所探測大氣區(qū)域,而多次散射不局限于所探測大氣區(qū)域,因此,只有單次散射信號可用于大氣探測。如果不加區(qū)別的把所測散射信號都近似為單次的,在特定情況下可能對大氣探測結(jié)果帶來較大的誤差。因此,單次和多次散射信號的區(qū)分對于雙端激光雷達在大氣探測實驗中的精度具有重要意義。

        1 理論背景

        雙端激光雷達的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由發(fā)射端和接收端構(gòu)成。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:θT是發(fā)射端的發(fā)散半角,βT是發(fā)射端的仰角,θR是接收端的視場半角,βR是接收端的仰角,r是發(fā)射端和接收端的距離,r1是探測區(qū)域和發(fā)射端的距離,r2是探測區(qū)域和接收端的距離,θs是測量散射角,ΩT=4πsin2(θT/2)是發(fā)射端的立體角,ΩR=4πsin2(θR/2)是接收端的立體角,PT是發(fā)射端的脈沖功率,AR是接收器的接收面積,是探測高度。大氣參數(shù)包括消光系數(shù)ke、散射系數(shù)ks,散射相函數(shù)P(θs)。

        圖1 雙端激光雷達示意圖

        接收端接收到的總散射信號功率表示為:

        其中:PR,single表示單次散射信號功率,PR,multi表示多次散射信號功率。

        單次散射功率與探測區(qū)域有關(guān),表示如下[1-3,12]:

        探測區(qū)域的體積可近似表示如下:

        雙端激光雷達的散射角分辨率為Δθ=2(θT+θR),探測光學(xué)深度為τ=ke(r1+r2)。

        與單次散射不同,多次散射不局限于探測區(qū)域,其過程較為復(fù)雜。多次散射信號功率的計算基于蒙特卡羅模型進行[13]。

        2 多視場法的定量模擬

        多視場法用于雙端激光雷達的參數(shù)設(shè)置如下:ke=2×10-3/m,ks=1×10-3/m,βT=βR=45°,θT=0.5°,P(θs)=1,pT=1 W,AR=1 c m2,r=1~3 000 m;θR=(1°,2°,4°,8°)。假設(shè)雙端激光雷達的接收端視場分別為θR,1和θR,2,所測散射信號功率分別為PR,1和PR,2,其中的單次和多次散射信號功率分別為P1R,single,P1R,multi,P2R,single,P2R,multi,令n=θR,2/θR,1,則P2R,single/P1R,single,P2R,multi/P1R,multi與n應(yīng)具有一定的關(guān)系。

        圖2 多視場下散射信號功率的比值

        單次散射信號功率的計算基于方程(2),多次散射信號功率的計算基于蒙特卡羅模型。計算所得的多視場下散射信號功率的比值如圖2所示。由圖中可以看出單次散射功率與接收端的視場角成正比,而多次散射功率近似與接收端的立體角成正比。因此,通過多視場設(shè)置,可以定量區(qū)分雙端激光雷達接收到的單次和多次散射信號。圖2中的漲落是蒙特卡羅隨機模擬的典型現(xiàn)象,可以通過增多模擬光子數(shù)來抑制。多視場與單次和多次散射信號的關(guān)系可用以下方程表示:

        方程(4)可用于單次散射信號功率的精確評估,并提高雙端激光雷達在大氣探測實驗中的精度。所用模擬條件與文獻[1-9]所報道實驗一致,其它條件下的方程也可通過方程(2)和蒙特卡羅模型計算,然后分析數(shù)據(jù)得出。

        3 結(jié) 論

        提出通過多視場的方法來定量評估雙端激光雷達接收到的單次和多次散射信號,基于理論模型計算的結(jié)果證明多視場法是可行的,并總結(jié)了從多次測量結(jié)果中計算單次和多次散射信號的經(jīng)驗公式。多視場法可望使雙端激光雷達在大氣探測實驗中達到更高的精度。

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