纯转动拉曼激光雷达探测对流层中底部大气温度

摘要

大气温度是表征大气能量平衡的重要参数之一，高精度探测大气温度的时空变化规律具有重要的应用价值和科研价值。激光雷达虽然是新兴技术，但由于其具有高时空分辨的优势，激光雷达已经成为探测大气温度以及其他大气参数的一种不可缺少的工具。在863项目“多源光谱层析及三维数值大气关键技术”的支持下，我们研制了一台多功能多通道激光雷达系统，能够同时、连续、高精度观测近地面至对流层范围的大气温度、水汽和气溶胶，并且在合肥和北京两地分别进行了观测实验，两地观测实验都取得了与无线电探空气球较一致的结果，主要研究内容如下:
　　(1)首先论述了激光雷达大气遥感的理论背景和系统构造，以及各类激光雷达探测技术。对大气温度的分布特征和常见的探测方法进行了概述，列举了国内外典型的大气温度探测激光雷达，简述了最新测温激光雷达的发展动态。
　　(2)本文主要完成了一套能够同时探测大气温度、水汽和气溶胶的多功能多通道的集成式纯转动拉曼激光雷达。激光发射单元采用美国Continuum公司的Nd∶YAG固体激光器，激光器输出基频波长为1064nm，经由二倍频和三倍频分别输出532nm和355nm的激光，355nm单脉冲激光输出能量约为300mJ，脉冲频率20Hz。卡塞格林式望远镜具有焦距长、结构紧凑的优点，分别采用450mm口径大望远镜接收温度和水汽的拉曼散射回波信号，300mm小口径望远镜接收气溶胶的米散射回波信号。利用干涉滤光片以一定的倾斜角度安装在光学平台上，可以实现对大气回波信号的有效分光。数据采集单元采用瞬态记录仪，它能同时收集数模信号。
　　(3)分光系统的核心是干涉滤光片，模拟计算了干涉滤光片参数中心波长和带宽与温度测量不确定度的关系。用于探测大气温度的激发发射波长选为355nm的紫外光，激发光波长越短，后向散射微分截面越大，转动拉曼信号越强，并且355nm处于可见光范围外，更容易实现白天探测。模拟计算表明，高阶转动量子数拉曼通道的干涉滤光片中心波长对温度探测精度更敏感。
　　(4)激光雷达系统研制成功后分别在合肥和北京部分地域开展了近地面大气温度的观测与分析，选用同时间点释放的无线电探空气球验证仪器的可靠性。观测资料表明了对流层温度具有较明显的时空分布特征。
　　(5)本文重点分析了测量信号不确定度、不同时空分辨率和标定常数对温度探测精度的影响。累积发射脉冲数越多，噪声越小信噪比越大，测量信号不确定度越小。在累积激发脉冲数为10000发（5000发）时，对应30m、60m、120m和240m的空间分辨率，近地面至8km高度处温度测量不确定度的均值分别为1.09K(1.33K)，0.83K(0.85K)，0.78K(0.79K)和0.88K(0.89K)。标定常数a和b不仅影响温度廓线的平移，还对温度廓线的形状有影响，标定常数c只影响温度廓线的平移。根据观测数据可知，a和c有相同的变化趋势，b变化趋势相反。当a、b和c变化趋势相同时，利用公式反演温度带来的误差较小，误差有互相抵消的趋势;当a、c变化和b变化趋势相反时，利用公式反演温度带来的误差较大。

目录

声明

摘要

引言

第1章 激光雷达大气遥感概述

1．1 激光雷达大气遥感的物理基础

1．2 激光雷达系统基本组成

1．3 激光雷达方程

第2章 大气温度的分布及测量方法

2．1 地球大气与大气温度结构特征

2．2 大气温度的观测方法

2．3 大气温度探测激光雷达技术与发展动态

第3章 纯转动拉曼激光雷达大气温度探测原理

3．1 大气分子的拉曼频移

3．2 N2和O2分子的微分散射截面

3．3 大气温度反演函数的选择

第4章 纯转动拉曼激光雷达系统研制

4．1 激光发射单元

4．2 信号接收和数据采集系统

4．3 控制系统

第5章 纯转动拉曼激光雷达系统大气温度探测实验研究

5．1 实验探测流程

5．2 分光系统调试

5．3 转动拉曼通道信号验证和系统标定

5．4 数据处理

第6章 低空大气温度观测结果与误差分析

6．1 合肥低空大气温度观测结果与分析

6．2 北京低空大气温度观测结果与分析

6．3 水汽混合比的空间分布

6．4 水汽对大气气溶胶光学性质的影响

6．5 同时探测大气温度、水汽、气溶胶的结果分析

6．6 纯转动拉曼激光雷达测量误差分析

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 下一步工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果