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大气温度探测拉曼散射激光雷达的关键技术研究

作　者: 吴敏
导　师: 华灯鑫
学　校: 西安理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 大气光学转动拉曼散射激光雷达全天候测量
分类号: TN958.98
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 341次
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内容摘要

大气温度是大气物理、天气分析与预报及环境监测中的一个重要的大气气象参数。实时探测大气温度剖面,对研究太阳辐射,解释地球温暖化现象,提高气象预报的准确度,特别对研究城市热岛现象等具有重要的意义。拉曼散射激光雷达利用大气分子引起的转动拉曼谱线强度与大气温度的依存特性,实现温度的实时探测,具有高的时空分辨率,在连续监测和测量精度等方面所具有的独到优势,是其它探测手段无法比拟的新颖大气遥感技术。论文在比较现有激光雷达大气温度遥感技术的基础上,提出了利用拉曼散射探测大气温度的系统设计方案,并对相关的大气温度拉曼散射激光雷达关键技术进行数值仿真及实验验证。由于拉曼散射信号的强度相对于弹性散射要弱3～4个数量级,本文设计了一个高光谱分辨率光栅组合双层窄带滤光片的高光谱分辨率的分光器,实现强背景光(米散射和瑞利散射信号)下的弱拉曼信号提取。激光雷达系统选用Nd:YAG脉冲激光器的三倍频波长(355nm)为光源,口径250mm的卡塞格林式望远镜作为接收系统,利用高光谱分辨率光栅,小孔光阑组成一次分光系统,剔除大部分太阳背景光噪音,米散射及瑞利散射信号,利用4个窄带滤光器构成一个高光谱分辨率的分光系统,实现对部分太阳背景光噪音,米散射及瑞利散射信号的二次滤波,并提取谱线中心波长分别为353.9nm和352.5nm的转动拉曼信号,从而达到对瑞利散射和米散射信号的7个数量级的抑制率,并实现白天测量。在不同大气条件下,对西安城区低层大气温度进行多次实验观测表明,在脉冲激光能量250mJ,探测时间为8分钟(约10000次脉冲累积平均)的情况下,设计的转动拉曼激光雷达系统具有对1km以下大气温度全天候精细探测的可行性,并且其测量不确定度误差可以达到1K。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 大气温度探测的意义与进展  8-11
    1.1.1 大气温度探测的意义  8
    1.1.2 大气温度探测技术的发展状况  8-10
    1.1.3 激光雷达测温方法的比较  10-11
  1.2 本课题主要研究内容  11-12
2 拉曼测温激光雷达原理  12-19
  2.1 激光雷达概述  12-14
    2.1.1 激光雷达技术的发展状况  12-13
    2.1.2 激光雷达系统构成  13
    2.1.3 激光雷达方程  13-14
  2.2 拉曼测温激光雷达测温原理  14-17
  2.3 本章小结  17-19
3 拉曼测温激光雷达系统设计  19-42
  3.1 拉曼测温激光雷达系统特点  19
  3.2 激光雷达的发射与接收系统设计  19-29
    3.2.1 发射系统设计  19-21
    3.2.2 接收系统设计  21-29
  3.3 分光系统设计  29-38
    3.3.1 光栅分光系统设计  30-35
    3.3.2 滤光片分光系统设计  35-38
  3.4 拉曼测温激光雷达数据采集系统设计与实现  38-40
  3.5 系统参数及数据仿真  40-41
  3.6 本章小结  41-42
4 拉曼雷达数据反演及温度实验观测  42-52
  4.1 拉曼测温激光雷达构成  42-43
  4.2 大气回波信号滤波  43-46
    4.2.1 算术平均值滤波  43-44
    4.2.2 直流误差剔除  44-45
    4.2.3 移动平均滤波  45-46
  4.3 西安城区大气温度前期观测实验  46-51
    4.3.1 晴天大气温度观测  47-48
    4.3.2 阴天大气温度观测  48-50
    4.3.3 连续观测  50-51
  4.4 本章小结  51-52
5 结论与展望  52-54
致谢  54-55
参考文献  55-58
在校学习期间参与发表的文章  58

大气温度探测拉曼散射激光雷达的关键技术研究

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