基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法与流程

本发明属于激光雷达大气探测和测试计量，具体为一种基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法。

背景技术：

1、瑞利测温激光雷达是大气探测的主要遥感设备，由激光发射系统、光学接收系统、数据采集与控制系统、数据分析处理系统等部分组成，其工作原理是利用发射激光与大气分子的瑞利散射作用，通过测量瑞利散射回波信号强度反演大气密度廓线，利用流体静力平衡和理想气体方程计算得到大气温度廓线，实现大气密度和温度的测量。

2、目前，国内外瑞利测温激光雷达探测技术已发展的较为成熟，但是瑞利测温激光雷达的计量特性评定方面尚不完善，高度30km以下可用大气原位探测数据作为基准获取测量偏差，30km以上难以获取基准数据，通常利用光子噪声通过不确定度传播公式来计算温度的测量不确定度，这种方法没有引入激光雷达参数，无法全面评定瑞利测温激光雷达的计量特性。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种引入激光雷达参数，全面评定瑞利测温激光雷达计量特性的评定方法，以解决背景技术中的问题。

2、为实现本发明目的，本发明提供了基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，采取技术方案如下：

3、步骤1：获取瑞利测温激光雷达参数；

4、步骤2：设置目标大气密度和温度廓线；

5、步骤3：利用瑞利测温激光雷达参数和目标大气密度计算瑞利后向散射系数和大气双程透过率；

6、步骤4：利用激光雷达方程计算瑞利测温激光雷达回波光子数；

7、步骤5：根据接收光子数泊松分布的特点利用蒙特卡洛法生成回波光子数随机样本；

8、步骤6：利用回波光子数样本反演大气密度廓线样本；

9、步骤7：利用大气密度廓线样本及参考温度反演大气温度样本；

10、步骤8：计算大气温度的平均偏差和测量不确定度等计量特性。

11、在一实施例中，所述步骤2设置目标大气密度和温度廓线具体为：根据激光雷达探测范围和高度分辨率参数生成探测高度列向量，利用1976年美国标准大气的大气密度和温度通过三次样条插值到探测高度上获得目标大气廓线。

12、在一实施例中，所述步骤3瑞利后向散射系数计算方法为：

13、

14、β(λ，z)＝na(z)σ(λ，z)

15、所述步骤3大气双程透过率计算方法为：

16、

17、

18、其中，σ(z，λ)为瑞利信号后向散射截面，λ为激光波长，β(λ,z)为瑞利信号后向散射系数，na(z)为大气分子数密度，α(λ,z)为大气消光系数，t2(z，λ)为大气双程透过率。

19、在一实施例中，所述步骤4回波光子数计算方法为：

20、

21、其中，nr(λ，z)为接收到的距离z-δz/2到z+δz/2范围内的回波光子数，z为高度，pl(λ)为发射的激光平均功率，δt为积分时间，h为普朗克常数，c为光速，λ为激光波长，β(λ，z)为瑞利信号后向散射系数，α(λ，z)为大气消光系数，t2(z，λ)为大气双程透过率，δz为距离分辨率，a为接收望远镜面积，η为系统效率。

22、在一实施例中，所述步骤5中，回波光子数随机样本服从步骤4获得的回波光子数为期望的泊松分布，回波光子数随机样本为m×n阶矩阵，其中m为探测高度列向量的长度，n为蒙特卡洛模拟试验次数。

23、在一实施例中，所述步骤6中大气密度反演方法为：

24、

25、其中，na(z)和na(z0)分别为z和z0高度上的大气密度；z0为大气瑞利散射的参考高度；nr(λ，z)与nr(λ，z0)分别对应高度z与z0上的大气回波光子数；为从高度z0到z处的大气双程透过率，α(λ，z)为大气消光系数。

26、在一实施例中，所述步骤7中大气温度反演方法为：

27、

28、其中，t(zu)和na(zu)分别为上边界高度上的大气温度和密度，na(z)为z高度上的大气密度，r为气体普适常数，g(z)为重力加速度，m为大气分子摩尔质量，zu为上边界高度。

29、在一实施例中，所述步骤8中计量特性评定方法为：

30、大气温度的平均偏差为：

31、

32、标准不确定度为：

33、

34、其中，ti为第i组反演大气温度值，n为蒙特卡洛模拟试验次数，to(z)为z高度上的目标大气温度。

35、与现有技术对比本发明有益效果如下：

36、本发明建立了瑞利激光雷达参数、目标温度与测量温度的关系，通过蒙特卡洛模拟试验实现了瑞利测温激光雷达全探测高度的测量偏差、测量不确定度等计量特性的综合评定。

技术特征：

1.一种基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，其特征在于，所述步骤2设置目标大气密度和温度廓线具体为：根据激光雷达探测范围和高度分辨率参数生成探测高度列向量，利用1976年美国标准大气的大气密度和温度通过三次样条插值到探测高度上获得目标大气廓线。

3.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，其特征在于，

4.根据权利要求1或3所述的基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，其特征在于，所述步骤4回波光子数计算方法为：

5.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，其特征在于，所述步骤5中，回波光子数随机样本服从步骤4获得的回波光子数为期望的泊松分布，回波光子数随机样本为m×n阶矩阵，其中m为探测高度列向量的长度，n为蒙特卡洛模拟试验次数。

6.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，其特征在于，所述步骤6中大气密度反演方法为：

7.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，其特征在于，所述步骤7中大气温度反演方法为：

8.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，其特征在于，所述步骤8中计量特性评定方法为：

技术总结
本发明公开了一种基于蒙特卡洛法的瑞利测温激光雷达计量特性评定方法，所述步骤包括：获取瑞利测温激光雷达参数；设置目标大气密度和温度廓线；计算瑞利后向散射系数和大气双程透过率；利用激光雷达方程计算瑞利测温激光雷达回波光子数；利用蒙特卡洛法生成回波光子数随机样本；利用回波光子数样本反演大气密度廓线样本；利用大气密度廓线样本及参考温度反演大气温度样本；计算大气温度的平均偏差和测量不确定度等计量特性。本发明建立了瑞利激光雷达参数、目标温度与测量温度的关系，通过蒙特卡洛模拟试验实现了瑞利测温激光雷达计量特性综合评定，可用于优化激光雷达系统设计。

技术研发人员：杨健,易卉,赵博
受保护的技术使用者：北京振兴计量测试研究所
技术研发日：
技术公布日：2025/1/9