面向垂直分层水体的偏振敏感半解析蒙特卡洛水深激光雷达仿真方法

《Scientific Reports》：An improved polarization-sensitive semi-analytic monte carlo simulation method for bathymetric lidar considering complex water-column stratification

　　

摘要

水深激光雷达仿真长期以来一直将海水视为光学均匀介质，因此现有模型无法再现温跃层、浑浊层或次表层叶绿素最大值如何重塑偏振回波。本文开发了一种针对垂直分层水体的改进偏振敏感半解析蒙特卡洛（SMC）方法。早期的半解析处理方法要么保留偏振态但将水柱简化为均匀介质，要么解析垂直结构但仅携带标量光子权重；本文围绕分层感知的自由程行进和分层解析的局部估计重建了光子引擎本身，重新推导了强制计分权重，使其在衰减系数和缪勒矩阵发生不连续变化的情况下仍然保持无偏，并将完整的斯托克斯状态贯穿每一次散射事件进行传递。重要性采样、边界附近的自适应步长控制以及GPU映射的多重散射合成使计算成本保持在参数扫描可承受的范围之内。在准单次散射窗口内（即该解析小角度解适用的范围内），该方法与解析小角度解的吻合度优于1%；相对于已收敛的常规蒙特卡洛参考解，在约十分之一的光子预算下，其波形和偏振度的误差均保持在1%以下。在分层场景中，该方法能够再现各层特有的脉冲展宽、峰值延迟以及共偏振和交叉偏振退偏振特征，这些特征是均匀模型无法生成的。联合读取两个偏振通道可将分层引起的测底偏差从约0.34米降低至约0.10米（前提是波形信噪比超过25 dB），并支持对层深和光学对比度的初步反演，尽管吸收和散射之间仍保持强相关性。上述证据完全为数值结果，且平面层几何结构、静态海面、忽略波浪面折射以及缺乏与实测机载波形的对比，都限制了由此得出的结论。