气溶胶前向角度散射信号提取及大气能见度反演研究

摘要

气象光学视程(气象能见度)是表征大气光学特性的客观指标，是影响航空、航海、陆上交通以及军事等领域工作的重要气象参数。开展气象能见度连续自动检测方法研究和系统研制具有重要的应用价值。
　　 本文以气溶胶前向散射信号提取与大气能见度反演算法研究为核心内容，开展了气溶胶前向光散射信号特征、微弱光散射信号检测方法、能见度测量系统传递函数标定等问题的研究，设计并研制了气溶胶前向光散射能见度仪。在讨论了大气能见度测量原理的基础上，建立了基于近红外LED光源的气溶胶前向散射光多角度测量装置，分析了多角度散射测量结果，证明了在20°～45°前向散射角范围内气溶胶散射光信号强度与消光系数成正比，提出了前向散射大气能见度仪的设计方案；研究了微弱散射光信号的检测方法，研制了采用光源调制、锁相检测技术的微弱散射光信号检测电路，消除了背景光的干扰，通过高精度V/F转换电路设计实现100dB大动态范围的A/D转换，提高了微弱散射光信号的检测精度;对测量系统的标定问题进行了深入的研究，提出了系统传递函数标定和雨、雾等不同天气下能见度数据补偿修正方法；进行了多台样机与进口仪器之间的对比测量，结果表明具有的较好的一致性。

目录

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声明

第一章大气气溶胶的基本特性与大气能见度

1.1 大气气溶胶的基本特性

1.1.1 大气气溶胶的形状、尺度和类型

1.1.2 大气气溶胶的来源、浓度和分类

1.1.3 大气气溶胶的粒子尺度谱分布

1.2 大气气溶胶的光学性质

1.2.1 折射指数

1.2.2 大气的消光

1.2.3 气溶胶的米(Mie)散射

1.2.4 气溶胶粒子群的消光

1.3 大气能见度及其测量方法

1.3.1 辐射度与光度学基础

1.3.2 大气水平能见度

1.3.3 大气水平能见度的测量方法

1.4 本文的主要内容

第二章气溶胶多角度前向散射特性的实验研究

2.1 气溶胶前向散射特性的理论分析

2.1.1 Mie理论的几个重要函数

2.1.2 气溶胶角度散射信号与大气消光系数的关系

2.2 典型大气模式的相函数计算

2.3 多角度前向散射实验研究

2.3.1 实验装置

2.3.2 实验步骤

2.3.3 实验结果与分析

2.4 小结

第三章气溶胶前向散射微弱信号检测电路设计

3.1 微弱信号检测原理

3.1.1 噪声特征

3.1.2 相关检测

3.1.1 锁定放大技术

3.2 气溶胶前向散射光的微弱信号检测

3.2.1 慢变化大背景光干扰的抑制

3.2.2 光电探测器的选取与前置放大电路的设计

3.2.3 锁定放大器的设计

3.3 大动态范围V/F变换技术与等精度多周期同步测频法

3.3.1 V/F变换技术

3.3.2 等精度多周期同步测频电路

3.4 数字滤波器的设计

第四章气溶胶前向角散射能见度测量系统及其标定和外场实验

4.1 气溶胶前向角散射大气能见度测量系统

4.2 系统传递函数的标定及校准方法

4.2.1 系统传递函数的标定

4.2.2 系统传递函数的校准

4.3 雾和雨天大气消光的计算公式修正

4.3.1 雾滴和雨滴分布下的散射相函数计算

4.3.2 雾和雨的消光的实际测量

4.4 讨论和总结

4.5 外场实验与讨论

4.5.1 合肥科学岛实验

4.5.2 中国气象局气象新设备考核

第五章结论

参考文献

攻读博士学位期间的成果

致 谢