大气温度及气溶胶激光雷达探测技术研究

论文摘要

边界层是最接近人类活动的地表层的气层,人类的日常活动直接影响到底层边界层的大气状态,边界层的物性又影响着人类的生存环境。因此研究边界层内的大气状态变化,对研究太阳辐射,地球动力学上的热量传递,解释地球温暖化现象,提高局部气象预报的准确度,进行大气污染的防治,特别对城市气象变化等研究有着很重要的意义。激光雷达作为一种主动遥感探测工具,具有探测范围大、空间分辨率高、能实时连续监测和测量精度高等特点,已广泛用于激光大气传输、全球气候预测、气溶胶辐射效应及大气环境等研究领域。论文的研究工作主要以边界层内的大气温度剖面及对流层内气溶胶剖面的光学特性精细探测技术为研究对象,重点探讨了利用转动喇曼散射激光雷达实现白天低层大气温度高精度探测的方法和关键技术;利用米散射激光雷达观测西安城区大气气溶胶时空变化特性及数据反演技术的研究;提出了高光谱分辨率激光雷达系统精确探测大气气溶胶光学特性的技术。为解决白天强烈太阳背景光及低层大气中的高密度气溶胶对激光雷达温度探测的影响,提高系统的信噪比,提出了一种新的紫外域波长转动喇曼散射测温激光雷达系统的分光方案。结合一个高光谱分辨率光栅和一个边缘反射镜有效滤除了大部分噪音信号;在2个喇曼通道中设置窄带干涉滤光片分别提取2个转动喇曼信号波长,并对剩余的米—瑞利散射光进行再次剔除,实现对噪音信号的高抑制率。理论分析与实验结果表明,所研究的系统和测试方法可以有效抑制系统噪音信号,能够实现白天低层大气温度分布的高精度测量,在激光输出功率250mJ,探测时间4分钟的情况下,温度探测误差小于1K时的探测高度白天可以达到1.8km,夜晚可以达到2.3km。针对西安城区大气气溶胶分布及变化规律的研究需要,以及沙尘暴的预警预测需求,开展米散射激光雷达大气气溶胶观测实验及光学特性的数据反演技术的研究,首次获得西安城区低层大气气溶胶浓度的高度分布数据。为实时观测气溶胶三维剖面特性,提出便携式小型可扫描的米散射激光雷达系统设计方案,用于探测对流层内大气气溶胶及卷云的光学特性以及大气水平能见度等。在分析研究现有气溶胶探测及数据反演技术的基础上,针对大气气溶胶高精度探测的难题,提出并建立了一种紫外域高光谱分辨率激光雷达系统方案。该系统利用高光谱分辨率光栅分离太阳背景光,以满足系统白天探测的要求;利用一个Fabry-Perot标准具分离出多普勒增宽的瑞利散射信号,因而气溶胶的浓度对探测结果不会产生影响;借助光栅的分光效应,该系统还能实现水蒸气的同时探测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 激光雷达大气探测的原理与方法
• 1.3.1 激光雷达大气探测的物理基础
• 1.3.2 大气的结构与组成
• 1.3.3 激光雷达的基本原理
• 1.3.4 激光雷达方程的解
• 1.3.5 标准大气模型
• 1.4 论文主要研究工作
• 2. 转动喇曼散射激光雷达探测低层大气温度分布技术研究
• 2.1 问题的提出
• 2.1.1 瑞利散射激光雷达探测大气温度分布
• 2.1.2 转动喇曼散射激光雷达探测大气温度技术
• 2.1.3 本研究工作的要点
• 2.2 激光雷达温度探测的理论基础
• 2.2.1 差分吸收法
• 2.2.2 瑞利散射法
• 2.2.3 转动喇曼散射法
• 2.3 转动喇曼散射激光雷达温度探测理论
• 2.3.1 大气分子的转动喇曼散射谱
• 2.3.2 转动喇曼散射温度探测理论
• 2.4 转动喇曼激光雷达测温研究的技术关键和基本策略
• 2.4.1 基于干涉滤光片的多色仪法
• 2.4.2 干涉滤光片法
• 2.4.3 光栅与原子蒸汽滤光器法
• 2.5 白天低层大气高精度测温转动喇曼激光雷达系统方案的提出
• 2.6 实现温度探测的理论解析
• 2.6.1 干涉滤光片中心波长的确定
• 2.6.2 实现空间转动喇曼与米—瑞利散射信号分离的关键技术
• 2.6.3 系统中各散射信号强度计算
• 2.6.4 温度分布及其探测误差的理论估算
• 2.7 本章小结
• 3. 大气边界层转动喇曼激光雷达温度探测实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验系统设计
• 3.2.1 分光器设计
• 3.2.2 实验系统构成
• 3.3 实验数据处理与系统标定
• 3.3.1 实验数据处理
• 3.3.2 系统标定方法
• 3.3.3 实验结果分析
• 3.4 数据处理软件流程
• 3.5 本章小结
• 4. 西安城区大气气溶胶观测实验研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 研究背景
• 4.1.2 主要研究内容
• 4.2 对人眼安全的米散射激光雷达实验系统
• 4.2.1 米散射激光雷达实验系统
• 4.2.2 气溶胶消光系数的反演算法
• 4.2.3 城区上空气溶胶观测
• 4.2.4 沙尘观测
• 4.2.5 小结
• 4.3 便携式小型米散射激光雷达系统设计方案
• 4.3.1 小型米散射激光雷达系统结构设计
• 4.3.2 系统仿真计算
• 4.3.3 信号采集系统
• 4.3.4 系统软件
• 4.3.5 小结
• 4.4 本章小结
• 5. 高光谱分辨率激光雷达大气气溶胶探测技术研究
• 5.1 研究背景
• 5.1.1 问题的提出
• 5.1.2 HSRL系统中采用的分光技术
• 5.1.3 本章的研究目标
• 5.2 HSRL气溶胶探测理论
• 5.2.1 大气气溶胶和分子散射光谱特性
• 5.2.2 HSRL气溶胶探测理论
• 5.3 大气气溶胶和水蒸气密度探测技术研究
• 5.3.1 HSRL系统构成
• 5.3.2 Fabry-Perot标准具的透射特性
• 5.3.3 参数反演算法
• 5.4 激光器的选模与稳频方案
• 5.4.1 激光器的多纵模振荡
• 5.4.2 种子注入锁频技术
• 5.4.3 激光器的稳频方案
• 5.5 初期实验结果
• 5.6 本章小结
• 6. 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 展望
• 致谢
• 在读博士期间发表的论文
• 在读博士期间参加的科研项目
• 参考文献