拉曼散射激光雷达高精度探测大气温度研究

论文摘要

近年来由于人类的活动对大气环境的影响,温室效应,雪灾天气,干旱无雨等异常气候现象发生频率逐年增加,因此研究边界层内的大气温度状态的变化,对解释地球温暖化等其它异常气候现象,提高局部气象预报的准确度,具有重要的研究意义。论文依托西安理工大学大气遥测研究中心的同轴激光雷达研究平台。研究纯转动拉曼散射激光雷达实现边界层底层大气温度的高精度探测的方法和关键技术。通过系统的分光及数据采集系统的优化设计,解决了在白天强烈的太阳背景光分离出相对于米散射和瑞利散射信号要弱3～4个数量级的拉曼散射信号的技术难点。系统选用355nm波长的激光作为光源,利用高分辨率光栅将回波信号在空间上分离,再用小孔光阑结合两级窄带滤波片分离353.9nm和352.5nm的纯转动拉曼信号,实现了对瑞利散射和米散射信号高数量级的抑制率,为白天温度测量提供技术保障。论文构建了纯转动拉曼散射激光雷达系统,并对大气后向纯转动拉曼散射回波信号进行了多次实验观测、大气温度的数值反演计算,与西安气象局探空气球数据进行比对及系统校正,实现了大气温度精确探测。最后对系统的信噪比进行了详细的理论分析,获得了系统的测温精度。在激光能量为300mJ,测量时间为8分钟(约10000次脉冲累计平均)时,可以精确测量大气边界层底层2km以内的大气温度分布,测量精度达到1K。理论分析与实验结果表明,系统已具备了进行高精度全天候测量的能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 大气温度的探测
• 1.1.1 大气温度的探测意义
• 1.1.2 大气温度探测的国内外发展状况
• 1.2 激光雷达遥感技术
• 1.2.1 激光雷达技术的发展
• 1.2.2 激光雷达大气探测的主要特点
• 1.3 论文的主要工作
• 2 拉曼激光雷达测温原理
• 2.1 简述
• 2.2 激光雷达大气探测技术
• 2.2.1 激光与大气物质的相互作用
• 2.2.2 激光雷达原理方程
• 2.3 一般激光雷达系统构成
• 2.4 拉曼测温原理
• 2.4.1 拉曼散射原理
• 2.4.2 纯转动拉曼雷达信号
• 2.5 本章小结
• 3 拉曼激光雷达系统的优化与设计
• 3.1 简述
• 3.2 拉曼测温激光雷达系统构成
• 3.2.1 高斯光束的发射与准直
• 3.2.2 接收系统与发射系统的匹配
• 3.2.3 分光系统的优化调整
• 3.2.4 数据采集系统的改进
• 3.3 本章小结
• 4 拉曼激光雷达的实验观测与数据反演
• 4.1 简述
• 4.2 纯转动拉曼测温的反演方法
• 4.2.1 测量系统的能力验证
• 4.2.2 利用标准大气模型与系统进行比对
• 4.2.3 利用探空气球对系统进行标定
• 4.2.4 利用标定后的系统对测温数据进行标定反演
• 4.3 连续观测
• 4.4 本章小结
• 5 拉曼激光雷达系统的误差分析
• 5.1 简述
• 5.2 噪声的来源
• 5.3 激光雷达测量系统噪声滤波技术
• 5.3.1 多次采样的滤波信号
• 5.3.2 直流误差的剔除
• 5.3.3 信号的平滑
• 5.4 试验系统实际误差分析
• 5.4.1 拉曼激光雷达实测信噪比分析
• 5.4.2 拉曼激光雷达实测误差分析
• 5.5 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文