用于洁净大气探测的激光测风雷达双边缘检测技术研究

摘要

激光测风雷达可以探测局部大气三维矢量风场，具有精度高、体积小、探测速度快等优点。近年来，美国和欧洲的激光测风雷达技术已进入实用阶段，成功实现了局部三维矢量风场探测，全球风场的探测也正在进行中。国内在本领域的相关研究也在迅速开展。目前探测气溶胶Mie散射的激光测风雷达技术已相对成熟，但探测大气分子Rayleigh散射的激光测风雷技术达仍需进一步完善，仍有许多问题有待解决。
　　本文就探测洁净大气Rayleigh散射的0.355μm紫外激光测风雷达及其双边缘检测技术进行研究，研究了大气特性与激光后向散射信号的能量和光谱线型的关系，并用该关系指导了激光测风雷达系统和双边缘检测鉴频系统的设计和研制。这一研究对测量海洋上空和高空洁净大气风场具有重要的应用价值。
　　本论文首先介绍激光测风雷达的特点与工作原理，并对国内外激光测风雷达技术研究进展进行了回顾。在比较激光测风雷达与常规气象雷达的基础上，分析了洁净大气探测对测风雷达的基本要求，确定了采用0.355μm紫外激光双边缘测风雷达进行洁净大气探测的技术方案。
　　其次，对激光测风雷达的探测对象大气进行了研究，研究了大气层的结构和组分，水汽和气溶胶对激光测风雷达探测范围的影响。对激光在大气中的传输和散射特性进行了研究，研究了大气及湍流对光波传输的影响、大气对光波的单次散射及多次散射，研究了大气对光波的Rayleigh散射的分类和大气后向散射光谱的线型。根据电磁理论推导了分子和小粒子对光波的后向散射的强度分布，得到大气分子对0.355μm紫外激光的后向散射系数。
　　再次，文中设计了使用0.355μm紫外激光进行洁净大气风场探测的激光测风雷达系统。根据散射型激光雷达距离方程、不同气象条件下的大气后向散射系数和消光系数以及大气背景辐射噪声计算了激光测风雷达发射激光能量与探测距离的关系，为激光发射机设计做出指导。进行了双边缘检测激光测风雷达系统的物理设计，根据装置的工作环境和指标要求，进行了各分系统的初步设计。
　　然后，进行了紫外激光双边缘检测测风雷达的误差分析与仿真，研究了大气后向散射比、大气温度等因素对激光测风雷达探测误差的影响。使用Monte Carlo方法研究了发射机激光线宽对激光测风雷达探测精度和误差的影响，得到发射机激光线宽与探测精度和误差的定量关系，为激光发射机研制做出理论指导。
　　接下来，设计并研制了0.355μm紫外激光双边缘鉴频系统，进行了双边缘滤波器的误差分析。根据系统工作条件进行了双边缘滤波器的设计和研制，分析了滤波器反射板的平面度与装配平行度对滤波器鉴频精度的影响。实验测试了双边缘滤波器的误差，证明滤波器的加工精度与设计基本一致，可以用于激光测风雷达实验系统。
　　最后，进行了激光测风雷达双边缘滤波器稳定控制系统的设计。进行了滤波器控制系统和外界扰动因素的数学建模，提出了用非线性PID控制方法进行鉴频器的稳定控制以保证鉴频系统的稳定运行，比较了非线性PID控制方法与经典PID控制方法对鉴频器控制结果的影响。
　　本论文的工作可以为0.355μm紫外激光双边缘测风雷达的进一步研制提供参考，推动洁净大气风场探测技术的发展。

目录

用于洁净大气探测的激光测风雷达双边缘检测技术研究

Research on the Double Edge Technology of Wind Lidar for Clear Air Detection

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 激光测风雷达技术的特点

1.3 国内外激光测风雷达发展状况

1.4 本论文的主要内容

第 2 章 洁净大气的组成及光波的传输散射理论研究

2.1 引言

2.2 大气的分层结构

2.3 大气的组分

2.4 光波在大气中的传输

2.5 大气中光波的散射

2.6 本章小结

第 3 章 洁净大气探测双边缘激光测风雷达理论和系统研究

3.1 引言

3.2 多普勒激光测风雷达基本原理

3.3 激光测风雷达相关理论

3.4 双边缘激光测风雷达物理设计

3.5 本章小结

第 4 章 紫外激光双边缘检测技术误差分析与仿真

4.1 引言

4.2 大气后向散射比对探测精度的影响

4.3 大气温度对风速测量的影响

4.4 发射激光线宽对测风的影响

4.5 本章小结

第 5 章 紫外激光双边缘检测Fabry-Perot鉴频系统研制

5.1 引言

5.2 双边缘激光测风雷达鉴频器原理与设计

5.3 鉴频系统设计

5.4 Fabry-Porot干涉仪性能检测

5.5 本章小结

第 6 章 Fabry-Perot鉴频系统非线性控制技术

6.1 引言

6.2 Fabry-Perot干涉仪鉴频系统结构与外界干扰

6.3 Fabry-Perot干涉仪控制系统建模与经典PID控制

6.4 Fabry-Perot干涉仪非线性控制技术

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致 谢

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