小型Mie散射激光雷达的研制及其应用

论文摘要

大气中的尘埃、烟雾、云等气溶胶粒子主要分布在对流层,对大气的辐射平衡、化学过程和气候变化都有重要的影响。激光雷达在对流层气溶胶光学特性探测方面具有其它探测手段无法比拟的优势,成为观测大气气溶胶时空分布的重要手段之一。自行研制的小型Mie散射激光雷达系统选用532nm波长激光作为光源,采用全固化结构,由单片机控制电机转动扫描,实现大气气溶胶光学特性及水平能见度测量。对系统的重叠因子Y(r)及Mie散射激光雷达反演数据算法进行了研究和探讨。为改善激光器的出射光斑质量,提高Mie散射激光雷达系统的探测能力,设计了一个采用数字化测量、逻辑控制,通过改变半导体制冷硅(TEC)的电流方向来进行加热或制冷的激光器二级温度控制系统。实验结果表明,设计的温控系统能够有效改善激光光斑质量,探测距离明显变远。利用研发的实验平台对西安城区上空的气溶胶进行连续观测,采用Fernald法反演气溶胶消光系数,得出西安城区不同时刻消光系数的高度分布廓线、以及24小时内大气边界层高度的时空变化特性,并对大气水平能见度进行了连续观测,其结果与当地气象部门提供的水平能见度数据的变化趋势基本一致。最后,在分析研究气溶胶消光系数反演误差的基础上,针对小型Mie散射激光雷达的探测距离和探测精度,采用光子计数器进行光电探测以及使用对数放大器进行电信号放大等进行优化设计,提出设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 激光雷达概述
• 1.1.1 激光雷达探测原理
• 1.1.2 激光雷达探测大气的主要应用
• 1.2 Mie散射激光雷达探测气溶胶
• 1.2.1 气溶胶对人类生活的影响
• 1.2.2 气溶胶探测的发展与现状
• 1.3 本课题的主要内容
• 2 小型Mie散射激光雷达系统
• 2.1 小型Mie散射激光雷达的系统结构及主要参数
• 2.2 系统重叠因子计算
• 2.3 Mie散射激光雷达方程及其反演
• 2.3.1 大气衰减效应
• 2.3.2 Mie激光雷达方程
• 2.3.3 数据反演方法
• 2.4 水平回波信号距离修正
• 2.5 本章小结
• 3 激光光斑质量改善技术
• 3.1 问题的提出
• 3.2 方案设计
• 3.3 温度控制系统硬件电路
• 3.3.1 温度测量电路
• 3.3.2 基于单片机AT89C4051的核心控制电路
• 3.3.3 LED显示电路
• 3.3.4 温度控制元件及其驱动电路
• 3.4 温度控制系统软件设计
• 3.5 系统调试
• 3.6 效果比对
• 3.7 本章小结
• 4 大气边界层及水平能见度探测
• 4.1 消光系数垂直廓线探测
• 4.2 水平气溶胶典型探测
• 4.3 大气边界层的探测
• 4.4 水平能见度连续观测
• 4.5 本章小结
• 5 小型Mie散射激光雷达系统改进探讨
• 5.1 Mie散射激光雷达消光系数误差分析
• 5.2 激光雷达改进探讨
• 5.2.1 光子计数
• 5.2.2 对数放大器
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文
• 附录