钠层测风测温激光雷达原理及数据处理方法研究

论文摘要

钠层测风测温激光雷达主要用于探测75-110km高度范围的三维大气风场、温度和钠原子数密度,是目前中高层大气探测功能最强大、技术最先进的探测手段之一。该激光雷达利用中层顶区域内的钠原子作为示踪物,由接收到的共振荧光散射回波光子数反演大气温度、风场及Na原子数密度廓线。本文着重研究钠测风测温激光雷达的探测原理和大气参数反演算法,并给出误差分析。通过对回波光子数仿真,可了解回波信号的特点,更好的用于反演方法的研究。利用NRLMSISE-00和HWM93等大气模型给出背景大气温度、密度及风场,并给定钠原子数密度模型,从激光雷达方程出发,模拟计算了激光雷达的Rayleigh散射和Na共振荧光散射的回波光子数剖面。研究三频比率多普勒技术的大气参数反演算法,利用模拟的回波光子数剖面数据,反演得到大气温度、视线风速和钠原子数密度剖面与模拟计算用的背景值符合很好,验证了反演方法的正确性。进一步分析了激光雷达接收光电倍增管的脉冲堆积效应和Na层吸收对反演结果的影响,并提出改正方法。将此方法用于美国伊利诺斯（UIUC）激光雷达实测数据的反演,反演结果与UIUC的结果相符合,验证了这些改正方法的正确性。深入开展了激光雷达的测量误差分析,得到了激光频率漂移和线宽变化对测量结果的影响。通过误差计算,给出了反演结果的精度,且结果表明该激光雷达具有很高的大气参数探测精度。上述研究成果,为我国钠层测风测温激光雷达及其数据处理软件等的自主研制奠定了理论和算法基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 中高层大气探测研究
• 1.2 激光雷达概述
• 1.2.1 激光与大气物质相互作用机制
• 1.2.2 大气探测激光雷达分类
• 1.2.3 钠层测风测温激光雷达
• 1.3 本文的研究动机和研究内容
• 第二章 钠层测风测温激光雷达原理
• 2.1 钠激光雷达原理
• 2.1.1 钠原子谱线精细结构
• 2.1.2 激光雷达方程
• 2.1.3 多普勒技术
• 2.1.4 测风测温原理
• 2.1.5 钠原子数密度计算
• 2.1.6 误差分析
• 2.2 钠激光雷达系统组成
• 2.2.1 发射机
• 2.2.2 接收机
• 2.2.3 数据采集和系统控制部分
• 2.2.4 数据处理与分析
• 第三章 激光雷达回波仿真与大气参数反演
• 3.1 回波光子数仿真
• 3.1.1 激光雷达参数配置
• 3.1.2 大气背景模型
• 3.1.3 钠原子数密度模型
• 3.1.4 回波光子数剖面
• 3.2 大气参数反演结果
• 3.2.1 反演方法与步骤
• 3.2.2 温度、风场反演结果
• 3.2.3 钠原子数密度反演结果
• 3.3 激光雷达性能参数变化对反演结果影响
• 3.3.1 发射激光频率漂移对反演结果影响
• 3.3.2 激光线宽变化对反演结果影响
• 3.4 噪声光子数引起误差
• 第四章 激光雷达实测数据处理
• 4.1 数据来源
• 4.2 实测数据中的需解决的问题
• 4.2.1 脉冲堆积效应
• 4.2.2 背景光子数
• 4.2.3 原子层吸收
• 4.2.4 斩光函数
• 4.3 实测数据反演结果
• 4.4 误差计算结果
• 4.4.1 系统误差
• 4.4.2 随机误差
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表文章目录
• 致谢