一种星载大气激光雷达信号仿真方法及系统

本发明属于大气遥感，具体涉及一种针对主动遥感手段的星载大气激光雷达信号仿真方法及系统。

背景技术：

1、大气激光雷达是一种利用脉冲式激光对大气颗粒物、温度、湿度和风场进行探测的主动遥感设备，具备高时空分辨率。根据大气激光雷达搭载平台的不同，可以将其分为地基大气激光雷达、车载大气激光雷达、机载大气激光雷达和星载大气激光雷达。地基大气激光雷达一般固定在特定观测地点，对特定地点垂直向上做连续观测或转载扫描装置对数十公里范围内大气状态进行监测；车载或机载大气激光雷达可以对数百公里范围内大气进行监测，从而获取大气颗粒物和温湿度场的变化规律；随着激光技术的发展，大气激光雷达能够搭载到卫星平台上，监测全球范围内的大气状态，并能精确提供垂直高度上的大气结构。美国航空航天局联合法国航天局于2006年发射了第一颗搭载有大气激光雷达的卫星calipso，用于探测全球范围内颗粒物和云层的垂直分布。在这之后于2018年，欧空局发射了第一颗用于全球三维风场监测的大气激光雷达卫星aeolus。我国于2022年4月和8月，分别发射了搭载有用于全球二氧化碳、颗粒物和云层监测激光雷达的卫星“大气一号”和搭载有用于气溶胶监测激光雷达的卫星“陆地生态碳卫星”。由上可知，用于大气垂直信息监测的大气激光雷达卫星技术研究和应用正处于快速发展阶段。

2、星载大气激光雷达的观测能力和观测效果取决于系统硬件参数的设计。作为星载大气激光雷达的核心，激光器的重频、单脉冲能量、带宽和发散角直接决定对气溶胶层的定量探测能力。激光器能量太强，会引起探测器饱和；而激光器能量太弱，则无法有效探测弱的气溶胶层。望远镜的口径也是决定探测信号强度的关键参数。较大的望远镜口径能提升对弱气溶胶层的探测效果，但是同时望远镜造价也会指数式上升。探测通道滤光片带宽会对星载大气激光雷达白天探测效果起到决定影响，一般滤光片带宽越窄，其对太阳光的抑制效果越好。但是受制于发射激光器带宽和当前的光学工艺，滤光片的带宽不能无限小。如何对激光器的重频、单脉冲能量、带宽和发射角，望远镜的直径和滤光片的带宽进行优化设计，是提升星载大气激光雷达探测能力的关键问题之一。如何验证在预算范围内所选取的硬件参数能达到的探测性能，是工程技术人员需要权衡的一个重要问题。而大气激光雷达载荷的设计目前仍主要依赖于工程技术人员的经验，缺少定量的评判标准。开发星载大气激光雷达信号仿真系统，对具有不同硬件参数的星载大气激光雷达的信号强度进行仿真，可有效提升设计效率，并为系统优化提供定量参考。

3、星载大气激光雷达的实际探测场景包括白天、夜间、雪地、海面、浓雾和沙尘等，不同场景对应的背景信号强度差异大。光学探测器的动态范围有限，需要精准适配不同场景背景信号的动态范围。一般用于验证星载大气激光雷达性能的机载实验，花费较大，且难以实现对不同实际探测场景的验证。因此需要开发星载大气激光雷达信号仿真系统，对不同场景下的星载大气激光雷达的信号强度进行仿真。

4、当前欧美国家在星载激光雷达项目预研阶段都会开发用于星载激光雷达信号模拟的软件，如用于calipso（双波长偏振激光雷达）信号仿真的caliopsim和用于earthcare（紫外高光谱激光雷达）信号仿真的ecsim。这些模拟器的开发过程针对各自的任务场景进行了优化，如caliopsim在系统光电器件建模上进行了更多优化，因此能更好地反应探测器件的在轨效应。ecsim针对云层探测过程进行深入建模，仿真了由于多次散射效应产生的信号增强效益。但是当前主流的星载激光雷达信号模拟方法主要针对单一场景下的信号仿真，难以应对气溶胶、云层和不同地表等复杂多元化场景下的回波信号评估需求。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种针对星载大气激光雷达信号的仿真方法和系统，用于仿真不同轨道特征、系统参数和观测场景下的星载大气激光雷达信号廓线。

2、本发明提供一种星载大气激光雷达信号仿真方法，包括以下步骤：

3、步骤1，对星载大气激光雷达系统的发射模块进行仿真，得到经过扩束后的激光发散角；

4、步骤2，计算不同高度层的大气分子后向散射系数和消光系数；

5、步骤3，利用太阳辐射与不同散射体之间的作用关系，计算星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度；

6、步骤4，根据星载激光雷达系统接收模块和发射模块的空间关系，以及接收模块的光电特征，模拟接收模块实际探测到的信号廓线。

7、而且，所述步骤1中假设出射激光的发散角为，扩束镜的扩束倍率为，则经扩束后的激光束发散角为。

8、而且，所述步骤2中根据大气瑞利散射机制，计算大气分子散射截面、臭氧的吸收截面，利用给定的温度和压强廓线，结合理想气体方程计算大气分子数浓度，利用大气分子散射截面、臭氧的吸收截面和大气分子数浓度廓线，计算不同高度层的大气分子后向散射系数和消光系数，具体计算公式如下：

9、（1）

10、（2）

11、式中，为高度处的大气分子后向散射系数，为出射激光波长，为大气分子散射截面，为高度处的大气分子消光系数，为高度处臭氧分子的数浓度廓线，为臭氧分子吸收截面，表示第个距离门，为高度处的分子数浓度，具体计算方式为：

12、（3）

13、式中，和分别为高度处的大气温度和压强。

14、而且，所述步骤3中在给定太阳天顶角和地表特性时，星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度计算方式如下：

15、（4）

16、式中，为星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度，为卫星轨道高度，为出射激光波长，表示由大气分子散射太阳光产生的太阳背景强度，表示由地表散射太阳光产生的太阳背景强度，表示由光学上厚的云层或气溶胶层散射产生的太阳背景强度，表示在波长处从卫星轨道高度到处的大气分子透过率，由下式计算：

17、（5）

18、式中，为出射激光波长，表示卫星轨道高度，表示最高的距离门，为高度处的大气分子消光系数。

19、根据大气分子散射角度分布特性和透过率，计算经大气分子散射的太阳辐射强度，具体计算方式为：

20、（6）

21、式中，表示由大气分子散射太阳光产生的太阳背景强度，，表示太阳光谱辐照度，为瑞利散射相函数，为圆周率，为太阳天顶角的余弦值，表示在波长处的整层大气的透过率。

22、根据输入的云层和气溶胶层的光学特性，计算由云层和气溶胶层散射的太阳辐射强度，具体计算方式为：

23、（7）

24、式中，表示由光学上厚的云层或气溶胶层散射产生的太阳背景强度，，表示太阳光谱辐照度，为太阳天顶角的余弦值，为云层或气溶胶层的反照率，为圆周率。

25、根据地表反照率，计算经由地表散射的太阳辐射强度，具体计算方式为：

26、（8）

27、式中，表示由地表散射太阳光产生的太阳背景强度，，表示太阳光谱辐照度，为太阳天顶角的余弦值，为地表反照率，为圆周率。

28、而且，所述步骤4中定义坐标系原点为望远镜视场中心， x轴为望远镜中心与激光束中心连线方向，正方向为朝着望远镜方向， z轴为望远镜光轴方向，正方向朝下， y轴垂直平面 xoz，正方向为任意方向，则激光雷达系统重叠因子由如下公式计算：

29、（9）

30、式中，和分别表示极坐标积分变量，为圆周率，为望远镜视场角，为扩束镜的扩束倍率，为高度处的激光束束腰宽度，为高度处激光束中心与望远镜视场中心的距离，由如下公式计算：

31、（10）

32、式中，和分别表示激光束与望远镜平面平行时，激光束光斑中心与望远镜视场中心的距离在 x轴和 y轴的分量；和分别表示激光束指向与望远镜光轴夹角在 x轴和 y轴的分量。

33、根据接收通道光学滤光片带宽和中心波长，计算经过光学处理系统后的信号强度，根据光电转换器件的量子效率和暗计数特征，计算经过光电转换后的光子信号，星载激光雷达最终的回波光子数计算公式为：

34、（11）

35、（12）

36、式中，表示总的后向散射系数，包括大气分子、气溶胶和云层的贡献；为到高度处的透过率，由气溶胶、云层和大气分子透过率共同决定；为发射模块的光学透过率；为单脉冲能量；为出射激光波长； h表示普朗克常数； c表示光速； ma为望远镜的有效接收面积；为接收模块的光学透过率；为激光雷达重叠因子；为星载大气激光雷达接收到的太阳背景强度；和分别为光学分光系统对回波信号和太阳背景的整体透过率；为总的太阳背景强度；为太阳背景散射信号的接收面积。

37、根据光子信号的量子特性，叠加泊松分布噪声，得到最终的回波信号廓线，其中泊松分布的均值为。

38、本发明还提供一种星载大气激光雷达信号仿真系统，用于实现如上所述的一种星载大气激光雷达信号仿真。

39、而且，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种星载大气激光雷达信号仿真。

40、或者，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种星载大气激光雷达信号仿真。

41、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

42、本发明可仿真不同雷达系统参数情形下的星载大气激光雷达信号廓线，用于系统性能验证；本发明可以仿真不同地表类型和太阳天顶角情形下的星载大气激光雷达信号廓线，用于不同观测场景下系统探测性能验证，从而为星载大气激光雷达系统设计提供定量参考。