基于激光雷达的低层大气光学特性探测研究

论文摘要

本研究工作所基于的Mie散射激光雷达系统：采用染料激光器作为发射单元,波长定为560nm；光学接收单元为卡塞格林接收望远镜,配以小孔光栏限制视场,提高信噪比,光电探测器使用低噪声、高增益的光电倍增管；信号检测单元采用运算放大电路作为输出方式,并由TDS5104B示波器来实现数据的显示与存储。利用该系统实现了对南京北郊低层大气的探测,所得回波信号真实地反映了大气状况。因激光雷达实验系统采用非共轴模式,为修正近场信号,就要解决其所带来的几何重叠因子标定问题。几何重叠因子理论计算过程比较复杂,针对其曲线的趋势,假设一个简单明了且几何意义明确的指数形式,将其与理论计算结果做最小二乘法拟合确定相关参数,拟合程度理想,说明理论计算的几何重叠因子近似符合指数变化趋势；对于理论计算结果不实用以及实验法操作不便的问题,在前人近场信号修正工作的基础上,提出一种简单新标定方法：利用距离校准函数S(z)远场线性拟合以及近场二次多项式拟合获得近场修正信号,根据激光雷达方程将近场修正后的信号与原始回波信号做比,即得该系统的几何重叠因子。Klett反演算法是应用广泛比较成功的算法,此解要求一个参考高度和该高度处的消光值。提出一种基于拟合的参考消光值标定方法：利用所得的几何重叠因子对所测回波信号进行修正,采用最小二乘法对最大范围大气均匀区回波信号进行拟合,获得消光参考值。利用所提出的几何重叠因子及消光参考值的标定,对南京北郊的低层大气探测回波信号进行了大气消光反演,得到了很好的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 激光雷达简介
• 1.1.1 激光雷达结构和分类
• 1.1.2 激光雷达在大气探测中的应用以及发展
• 1.2 低层大气光学特性探测的意义及进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 激光雷达探测大气基础
• 2.1 激光在大气中的传输特性
• 2.1.1 瑞利散射
• 2.1.2 Mie散射
• 2.1.3 拉曼散射
• 2.1.4 共振荧光
• 2.1.5 吸收
• 2.2 激光雷达探测大气的工作原理
• 2.3 激光雷达系统
• 2.3.1 发射系统
• 2.3.2 信号接收系统
• 2.3.3 信号检测系统
• 第三章 Mie散射激光雷达回波反演大气光学特性理论
• 3.1 大气探测激光雷达方程
• 3.2 Mie散射激光雷达大气探测的反演方法
• 3.2.1 Collis斜率法
• 3.2.2 Klett算法
• 3.2.3 Fernald算法
• 第四章 Mie散射激光雷达实验系统
• 4.1 Mie散射激光雷达实验系统
• 4.1.1. 激光发射器与接收器
• 4.1.2. 光电探测器及其输出电路设计
• 4.1.3. 信号检测系统
• 4.2 实验系统真实回波信号的采集
• 第五章 实际大气消光系数反演
• 5.1 系统几何重叠因子的标定
• 5.1.1 几何重叠因子对大气探测的影响
• 5.1.2 几何重叠因子的理论计算及其拟合形式
• 5.1.3 传统实验法求解几何重叠因子
• 5.1.4 基于拟合的几何重叠因子标定
• 5.2 Klett反演算法中消光系数边界值的标定
• 5.3 低层大气消光系数的反演
• 第六章 总结
• 6.1 结论
• 6.2 本文创新点与不足
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文