本發(fā)明屬于激光雷達大氣探測和測試計量，具體為一種基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法。

背景技術(shù)：

1、瑞利測溫激光雷達是大氣探測的主要遙感設(shè)備，由激光發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)等部分組成，其工作原理是利用發(fā)射激光與大氣分子的瑞利散射作用，通過測量瑞利散射回波信號強度反演大氣密度廓線，利用流體靜力平衡和理想氣體方程計算得到大氣溫度廓線，實現(xiàn)大氣密度和溫度的測量。

2、目前，國內(nèi)外瑞利測溫激光雷達探測技術(shù)已發(fā)展的較為成熟，但是瑞利測溫激光雷達的計量特性評定方面尚不完善，高度30km以下可用大氣原位探測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)獲取測量偏差，30km以上難以獲取基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通常利用光子噪聲通過不確定度傳播公式來計算溫度的測量不確定度，這種方法沒有引入激光雷達參數(shù)，無法全面評定瑞利測溫激光雷達的計量特性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種引入激光雷達參數(shù)，全面評定瑞利測溫激光雷達計量特性的評定方法，以解決背景技術(shù)中的問題。

2、為實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明提供了基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，采取技術(shù)方案如下：

3、步驟1：獲取瑞利測溫激光雷達參數(shù)；

4、步驟2：設(shè)置目標(biāo)大氣密度和溫度廓線；

5、步驟3：利用瑞利測溫激光雷達參數(shù)和目標(biāo)大氣密度計算瑞利后向散射系數(shù)和大氣雙程透過率；

6、步驟4：利用激光雷達方程計算瑞利測溫激光雷達回波光子數(shù)；

7、步驟5：根據(jù)接收光子數(shù)泊松分布的特點利用蒙特卡洛法生成回波光子數(shù)隨機樣本；

8、步驟6：利用回波光子數(shù)樣本反演大氣密度廓線樣本；

9、步驟7：利用大氣密度廓線樣本及參考溫度反演大氣溫度樣本；

10、步驟8：計算大氣溫度的平均偏差和測量不確定度等計量特性。

11、在一實施例中，所述步驟2設(shè)置目標(biāo)大氣密度和溫度廓線具體為：根據(jù)激光雷達探測范圍和高度分辨率參數(shù)生成探測高度列向量，利用1976年美國標(biāo)準(zhǔn)大氣的大氣密度和溫度通過三次樣條插值到探測高度上獲得目標(biāo)大氣廓線。

12、在一實施例中，所述步驟3瑞利后向散射系數(shù)計算方法為：

13、

14、β(λ，z)＝na(z)σ(λ，z)

15、所述步驟3大氣雙程透過率計算方法為：

16、

17、

18、其中，σ(z，λ)為瑞利信號后向散射截面，λ為激光波長，β(λ,z)為瑞利信號后向散射系數(shù)，na(z)為大氣分子數(shù)密度，α(λ,z)為大氣消光系數(shù)，t2(z，λ)為大氣雙程透過率。

19、在一實施例中，所述步驟4回波光子數(shù)計算方法為：

20、

21、其中，nr(λ，z)為接收到的距離z-δz/2到z+δz/2范圍內(nèi)的回波光子數(shù)，z為高度，pl(λ)為發(fā)射的激光平均功率，δt為積分時間，h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為激光波長，β(λ，z)為瑞利信號后向散射系數(shù)，α(λ，z)為大氣消光系數(shù)，t2(z，λ)為大氣雙程透過率，δz為距離分辨率，a為接收望遠鏡面積，η為系統(tǒng)效率。

22、在一實施例中，所述步驟5中，回波光子數(shù)隨機樣本服從步驟4獲得的回波光子數(shù)為期望的泊松分布，回波光子數(shù)隨機樣本為m×n階矩陣，其中m為探測高度列向量的長度，n為蒙特卡洛模擬試驗次數(shù)。

23、在一實施例中，所述步驟6中大氣密度反演方法為：

24、

25、其中，na(z)和na(z0)分別為z和z0高度上的大氣密度；z0為大氣瑞利散射的參考高度；nr(λ，z)與nr(λ，z0)分別對應(yīng)高度z與z0上的大氣回波光子數(shù)；為從高度z0到z處的大氣雙程透過率，α(λ，z)為大氣消光系數(shù)。

26、在一實施例中，所述步驟7中大氣溫度反演方法為：

27、

28、其中，t(zu)和na(zu)分別為上邊界高度上的大氣溫度和密度，na(z)為z高度上的大氣密度，r為氣體普適常數(shù)，g(z)為重力加速度，m為大氣分子摩爾質(zhì)量，zu為上邊界高度。

29、在一實施例中，所述步驟8中計量特性評定方法為：

30、大氣溫度的平均偏差為：

31、

32、標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

33、

34、其中，ti為第i組反演大氣溫度值，n為蒙特卡洛模擬試驗次數(shù)，to(z)為z高度上的目標(biāo)大氣溫度。

35、與現(xiàn)有技術(shù)對比本發(fā)明有益效果如下：

36、本發(fā)明建立了瑞利激光雷達參數(shù)、目標(biāo)溫度與測量溫度的關(guān)系，通過蒙特卡洛模擬試驗實現(xiàn)了瑞利測溫激光雷達全探測高度的測量偏差、測量不確定度等計量特性的綜合評定。

技術(shù)特征：

1.一種基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，其特征在于，所述步驟2設(shè)置目標(biāo)大氣密度和溫度廓線具體為：根據(jù)激光雷達探測范圍和高度分辨率參數(shù)生成探測高度列向量，利用1976年美國標(biāo)準(zhǔn)大氣的大氣密度和溫度通過三次樣條插值到探測高度上獲得目標(biāo)大氣廓線。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，其特征在于，

4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，其特征在于，所述步驟4回波光子數(shù)計算方法為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，其特征在于，所述步驟5中，回波光子數(shù)隨機樣本服從步驟4獲得的回波光子數(shù)為期望的泊松分布，回波光子數(shù)隨機樣本為m×n階矩陣，其中m為探測高度列向量的長度，n為蒙特卡洛模擬試驗次數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，其特征在于，所述步驟6中大氣密度反演方法為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，其特征在于，所述步驟7中大氣溫度反演方法為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，其特征在于，所述步驟8中計量特性評定方法為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于蒙特卡洛法的瑞利測溫激光雷達計量特性評定方法，所述步驟包括：獲取瑞利測溫激光雷達參數(shù)；設(shè)置目標(biāo)大氣密度和溫度廓線；計算瑞利后向散射系數(shù)和大氣雙程透過率；利用激光雷達方程計算瑞利測溫激光雷達回波光子數(shù)；利用蒙特卡洛法生成回波光子數(shù)隨機樣本；利用回波光子數(shù)樣本反演大氣密度廓線樣本；利用大氣密度廓線樣本及參考溫度反演大氣溫度樣本；計算大氣溫度的平均偏差和測量不確定度等計量特性。本發(fā)明建立了瑞利激光雷達參數(shù)、目標(biāo)溫度與測量溫度的關(guān)系，通過蒙特卡洛模擬試驗實現(xiàn)了瑞利測溫激光雷達計量特性綜合評定，可用于優(yōu)化激光雷達系統(tǒng)設(shè)計。

技術(shù)研發(fā)人員：楊健,易卉,趙博
受保護的技術(shù)使用者：北京振興計量測試研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9