大气边界层内水汽和气溶胶拉曼激光雷达精细探测技术与实验研究

摘要

大气水汽和气溶胶是重要的大气气象及物理参数,是大气结构精细观测的基本参数,具有相互依存的特性,严重影响气象、气候以及大气辐射、热力学、动力学的变化过程。大气水汽及气溶胶光学特性的实时探测技术研究,对于提高天气预报的准确性,研究云的形成,降水、大气污染物的扩散机理以及气溶胶吸湿性增长与雾霾的生消过程等有着重要的科学研究意义和应用价值与前景。
　　本文针对大气边界层内水汽和气溶胶的激光雷达探测技术展开研究,根据大气分子的拉曼散射光谱强度与密度之间的依存关系,研究了精细探测边界层内大气水汽和气溶胶光学特性的关键技术,设计并研发了一套拉曼激光雷达大气水汽及气溶胶精细探测系统,并以西安城区上空水汽与气溶胶为研究对象,开展了长期的观测实验与分析,获得了特定城市局地的大气边界层内水汽和气溶胶的时空分布廓线,统计分析了水汽与气溶胶的聚集与传输过程中两者的关联特性。
　　研究了强背景噪声下的微弱信号提取技术,在系统仿真及理论分析的基础上,提出了由高分辨率衍射光栅和窄带通高反射率平面反射镜等组成的高光谱分辨率分光技术设计方案,实现了对米-瑞利散射信号的高效抑制率及水汽振动拉曼信号的高效提取,实验验证了该分光系统具有对米-瑞利散射信号8个数量级以上的高效抑制率,为激光雷达水汽精细探测提供了技术支撑。
　　利用Nd:YAG脉冲激光器的三倍频紫外输出(波长354.7 nm)作为激光光源,增强了分子散射强度提高系统的探测效率,研发了一套高光谱分辨率的振动拉曼激光雷达系统。对西安城区上空边界层内大气水汽和气溶胶等参数进行实验观测,并利用当地气象部门的实时探空数据,研发了系统标定技术与数据反演算法,完成了系统软硬件的研制与标定。观测结果表明,在激光能量为300 mJ,探测时间10分钟条件下,获得高度5km以下水汽廓线,并与水汽的实时探空数据比对,激光雷达数据与探空数据具有较好的一致性,其线性相关率可达0.93276,相对测量误差小于10％(3km以下),验证了振动拉曼激光雷达系统可有效实现边界层以下大气水汽的精细测量。
　　针对一般激光雷达探测大气气溶胶光学参数反演过程中需要对大气状态做假定的难点,研究了振动拉曼方法精细反演气溶胶消光系数,气溶胶后向散射系数、分子散射比、雷达比等光学参数的算法,并进行实时观测,实现了利用大气N2分子振动拉曼信号反演大气气溶胶光学及物理参数的精细探测技术。
　　开展长期的连续观测实验研究,分析了水汽混合比的垂直变化特征、日变化情况以及不同季节的水汽分布特征。并采用月统计平均算法分析了激光雷达数据,首次利用激光雷达观测获得了西安地区水汽混合比和气溶胶光学厚度的年变化趋势,其气溶胶光学厚度分布和季节变化特征与气象部门数据比较,两者具有较好的一致性。研究并分析了水汽混合比、气溶胶消光系数和气溶胶光学厚度的时空相关性,获得了云层中水汽含量和气溶胶,以及凌晨在底层大气水汽密度(相对湿度)与气溶胶聚集的相关性观测结果。
　　针对传统拉曼激光雷达分光系统结构较大,不利于空基及星基平台应用,提出了一种新型光纤F-P滤波器的拉曼分光系统的技术方案。设计了光纤带通滤波器结合光纤F-P滤波器的高光谱分光技术和背景杂散光抑制技术、F-P二级级联的窄带拉曼散射信号提取等技术。重点分析了光纤F-P滤波器的参数优化设计,完成了以F-P分光的激光雷达系统光源和准直系统参数设计方案。数值仿真表明,基于光纤F-P滤波器的分光系统设计是可行的,可为全光纤分光激光雷达的研制提供了新的设计思想与实现方案。

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1绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文主要研究工作

2 振动拉曼激光雷达大气水汽探测原理

2.1 激光与大气物质的相互作用原理

2.2 大气分子的拉曼散射原理

2.3振动拉曼激光雷达探测大气水汽的原理

2.4系统信噪比

2.5 本章小结

3 光栅分光的拉曼激光雷达系统

3.1振动拉曼激光雷达系统构成

3.2激光雷达的发射与接收系统

3.3光栅分光系统设计

3.4光电接收和数据采集系统

3.5 系统的仿真与分析

3.6 本章小结

4 边界层内大气水汽激光雷达观测及实验研究

4.1系统抑制率实验验证

4.2 水汽混合比实验观测

4.3 激光雷达系统校正方法

4.4 相对湿度测量

4.5 大气水汽的时空特性观测研究

4.6 西安城区大气水汽混合比的年变化实验观测与分析

4.7 本章小结

5大气水汽与气溶胶分布的相关特性实验研究

5.1 气溶胶光学参数的拉曼精细探测原理

5.2 气溶胶光学特性参数的探测与分析

5.3 气溶胶的时空特性观测研究

5.4 水汽与气溶胶的关联特性分析

5.5 本章小结

6光纤F-P滤波器的全光纤分光拉曼激光雷达系统

6.1全光纤水汽拉曼激光雷达系统构成

6.2光纤F-P分光系统研究

6.3数值仿真分析

6.4 高斯光束传播特性对F-P的影响分析

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 本论文的创新之处

7.3 展望

致谢

参考文献

在博士期间发表的论文

获奖情况

在读博士期间参加的科研项目