水汽激光Raman探测实验研究

论文摘要

水汽是水在大气中的气态形式,它在大气中的含量很小,但却是大气中最活跃的成分,因为水汽是大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分,所以它在天气过程,气候变化,地气系统的能量交换等过程中具有极其重要的作用。Raman激光雷达是进行水汽探测的最有效工具之一,它具有很高的时间和空间分辨率,并且结构相对简单。自20世纪六十年代起,国内外许多研究机构都在进行这方面的研究。本论文首先对地球大气的垂直结构和标准大气模型进行了简单介绍,阐述了激光与大气相互作用的机制,重点介绍了Raman散射原理,散射光谱和散射截面,并与Rayleigh-Mie散射进行了对比。在论文的主体部分,介绍了Raman激光雷达进行水汽测量的基本原理,重点分析了通过氮气的Raman回波信号和标准大气模型计算透射率校正函数的问题,讨论了系统常数校正方法并给出七个晚上的校正结果。然后介绍了水汽Raman激光雷达的硬件结构,包括激光发射系统,接收系统及数据采集设备。最后,利用信噪比和相对不确定度对系统的探测能力进行了评估,然后介绍了几次典型的测量结果,本系统实现了从地面到海拔2km处的水汽混合比探测,并与同步发射的气象探空仪取得较好的一致。夜间连续观测证明该系统能够精细捕捉水汽混合比时空变化的特征。对水汽混合比测量的信噪比和不确定性进行了定量分析,证明该系统在海拔2000m处的信噪比大于10,对应的水汽测量的相对不确定度小于10%。实验表明该系统性能稳定可靠,测量的水汽和氮气的Raman回波信号有较高的准确性,大气透射率修正函数Δq及系统校正常数Cw等数据处理方法也是正确有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 0.1 研究背景
• 0.2 水汽Raman 激光雷达发展概况
• 0.3 论文的研究内容和组织结构
• 1 水汽 Raman 激光雷达原理
• 1.1 大气层结构及标准大气模型
• 1.1.1 地球大气的垂直分层结构
• 1.1.1.1 对流层
• 1.1.1.2 平流层
• 1.1.1.3 中间层
• 1.1.1.4 热层
• 1.1.1.5 散逸层
• 1.1.2 标准大气模型
• 1.2 激光和大气的相互作用
• 1.2.1 Rayleigh 散射
• 1.2.2 Mie 散射
• 1.2.3 Raman 散射
• 1.2.3.1 Raman 散射的电磁理论解释
• 1.2.3.2 Raman 散射的量子理论解释
• 1.2.3.3 Raman 散射截面
• 2 水汽混合比反演算法
• 2.1 水汽混合比反演的基本原理
• 2.2 透射率修正函数Δq（z0,z）的计算
• 2.3 系统校正常数Cw 的测定
• 2.4 水汽混合比和相对湿度的换算
• 3 水汽 Raman 激光雷达系统结构
• 3.1 激光发射子系统
• 3.2 接收子系统
• 3.2.1 望远镜
• 3.2.2 光纤耦合装置
• 3.2.3 接收光学单元
• 3.2.4 Hamamatsu R7400-20 型光电倍增管
• 3.3 数据采集设备
• 4 水汽混合比测量实验及数据处理和分析
• 4.1 水汽Raman 激光雷达的探测能力分析
• 4.2 水汽混合比的垂直廓线
• 4.3 水汽混合比的时空变化
• 5 总结与展望
• 项目支持
• 参考文献
• 个人简历
• 致谢