基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法及系统与流程

技术特征：

1.一种基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法，包括：

初始化光子权重、光子在大气顶层的随机位置和发射方向；

抽样获取光子在发生下一次碰撞前在大气中的传输距离；

根据所获取的传输距离和气溶胶散射参数库中的消光系数获取光子在物理空间中的传输距离，并根据所获取的光子在物理空间中的传输距离确定光子是否发生碰撞，所述气溶胶散射参数库中的参数包含每种气溶胶组分的散射相函数、单次散射反照率和消光系数；其中，

当光子发生碰撞时，根据光子的碰撞类型确定经过碰撞后的光子的新权重；其中，所述光子的碰撞类型包括散射碰撞和地表反射碰撞；

将所述光子的新权重与预设阈值进行比较；其中，

当所述光子的新权重不小于所述预设阈值时，计算所述光子发生碰撞后的新的传输方向，并重新抽样获取光子在发生下一次碰撞前在大气中的传输距离；

当所述光子的新权重小于所述预设阈值或者光子未发生碰撞时，将追踪的光子个数与预设的光子个数进行比较；其中，

当追踪的光子个数小于预设的光子个数时，重新初始化光子权重、光子在大气顶层的随机位置和发射方向；

当追踪的光子个数与预设的光子个数相同时，进行光子误差统计，获取大气透过率和大气顶层平均反射率。

2.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法，其中，在根据所获取的光子在物理空间中的传输距离确定光子是否发生碰撞的过程中，

当获取的光子在物理空间中的传输距离在预设的计算区域范围内时，所述光子发生散射碰撞，将所述光子移动至发生散射碰撞的位置，然后根据所述参数库中的消光系数建立所有气溶胶组分的消光系数累计概率查找表；

由在[0，1]范围内均匀分布的随机数ξ，在所述消光系数累计概率查找表中依次查找光子的散射碰撞类型，直至确定随机数ξ所对应的散射碰撞类型， 以确定与光子发生散射碰撞的气溶胶组分；

将与光子发生碰撞的气溶胶组分的单次散射反照率和光子当前的权重之积作为光子的新权重。

3.如权利要求2所述的基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法，当获取的光子在物理空间中的传输距离超出预设的计算区域范围，且光子发生地表反射碰撞时，将所述光子移动至所述计算区域的边界位置；

将光子的当前权重与地表反照率之积作为所述光子的新权重。

4.如权利要求2或3所述的基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法，其中，当所述光子的新权重小于所述预设阈值时，选择一随机数与所述光子的新权重进行比较；其中，

当光子的新权重不大于所选择的随机数时，所述光子传输结束，停止对所述光子的追踪，判断追踪的光子的个数是否达到预设的光子个数；

当光子的新权重大于所选择的随机数时，将所述光子的新权重重置为1，所述光子继续传输。

5.如权利要求4所述的基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法，其中，在所述光子继续传输的过程中，

当所述光子发生散射碰撞时，基于所述气溶胶散射参数库中的与所确定的散射碰撞的气溶胶组分相对应的散射相函数，获取与所述光子相碰撞的气溶胶组分的散射相函数的累计概率，并由在[0，1]范围内均匀分布的随机数ξ抽样选择散射角；

当所述光子发生地表反射碰撞时，则反射角余弦值为反射方位角为2πξ₂；其中，ξ₁和ξ₂均为在[0，1]范围内均匀分布的随机数。

6.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法，其中，在建立气溶胶散射参数库的过程中，

基于Mie算法，获取不同组分、不同粒径大小的气溶胶的散射相函数、单次散射反照率和消光截面；

将所获取的不同组分、不同粒径大小的气溶胶的散射相函数、单次散射反照率和消光截面与粒子谱分布函数进行积分，建立包含每种气溶胶组分的散射相函数、单次散射反照率和消光系数的散射参数库。

7.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法，其中，在初始化光子权重、光子在大气顶层的随机位置和发射方向的过程中，

设定光子初始权重为1；

光子在大气顶层的初始位置为在大气顶层x–y平面上的任意随机位置；

基于当地的时间和经纬度，由太阳天顶角和太阳方位角确定光子的发射方向。

8.如权利要求1所述的基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟方法，在根据所获取的距离和所述气溶胶散射参数库中的消光系数获取光子在物理空间中的传输距离的过程中，

设定抽样获取光子在下一次发生散射碰撞前在大气中的传输距离所对应的光学厚度τ，τ＝-ln(1-ξ)，其中，ξ为在[0，1]范围内均匀分布的随机数；

设定所述气溶胶散射参数库中的气溶胶组分的消光系数为β，所述光子在物理空间中的传输距离为S，那么S＝τ/β。

9.一种基于蒙特卡洛算法的气溶胶多次散射模拟系统，包括：

初始化单元，用于初始化光子权重、光子在大气顶层的随机位置和发射方向；

传输距离获取单元，用于抽样获取光子在发生下一次碰撞前在大气中的传输距离，根据所获取的距离和气溶胶散射参数库中的消光系数获取光子在物理空间中的传输距离，其中，所述气溶胶散射参数库中的参数包含每种气溶胶组分的散射相函数、单次散射反照率和消光系数；

光子新权重获取单元，用于在根据所述传输距离获取单元获取的光子在物理空间中的传输距离确定光子发生碰撞后，根据光子的碰撞类型获取经过 碰撞后的光子的新权重；其中，所述光子的碰撞类型包括散射碰撞和地表反射碰撞；

光子传输方向获取单元，用于计算光子发生碰撞后的新的传输方向，并重新抽样获取光子在发生下一次碰撞前在大气中的传输距离；其中，当所述光子新权重获取单元获取的所述光子的新权重比预设阈值大时，所述光子传输方向获取单元获取光子发生碰撞后的新的传输方向；

比较单元，用于将追踪的光子个数与预设的光子个数进行比较；其中，当所述光子的新权重小于预设阈值或者光子未发生碰撞时，所述比较单元将追踪的光子个数与预设的光子个数进行比较；其中，当追踪的光子个数小于预设的光子个数时，所述初始化单元重新初始化光子权重、光子在大气顶层的随机位置和发射方向；

统计单元，用于进行光子误差统计，获取大气透过率和大气顶层平均反射率；其中，当所述光子新权重获取单元获取的所述光子的新权重比预设阈值小，且追踪的光子个数达到预设的光子个数时，所述统计单元进行光子误差统计。