机载大气探测激光雷达的研制及大气气溶胶的探测研究

摘要

本文主要分两个部分。 第一部分主要讲述了两个内容：一是大气边界层研究的意义，介绍了目前用于边界层研究的各种方法以及用激光雷达研究边界层的状况；二是研制机载激光雷达的意义以及目前国内外机载激光雷达的研究状况。 第二部分为本文所做的研究工作，包含四部分内容。 (一)机载大气探测激光雷达的研制通过大气回波信号和信噪比的模拟计算，确定了机载大气探测激光雷达的主要技术参数；在详细叙述和探讨了机载大气探测激光雷达总体结构和各单元结构、数据处理和反演方法的同时，总结了在系统研制中使用的关键技术；通过对该激光雷达探测性能的评估测定和青岛地区大气探测实验，表明研制的机载大气探测激光雷达工作正常，满足预先设定的探测指标。 (二)青岛地区及周边海域的机载激光雷达大气探测实验。 研制的机载大气探测激光雷达装载在CMS-3807飞机上，于2005年11月7日至11日期间在青岛地区及周边海域上空进行了两次飞行探测。此次实验实现了两个目的：一是验证研制该机载激光雷达所采用的设计方案和关键技术是合适的，数据处理和反演方法切实可行；二是为即将在国家重大科技基础设施建设项目《航空遥感系统》中承担研制的机载双波长偏振激光雷达作技术上的储备。同时获得了青岛地区及周边海域大气气溶胶光学性质的二维空间分布特征。分析了下垫面、地形、地面气象要素、天气过程等对大气气溶胶分布及边界层结构产生的影响。 (三)气象激光雷达的城市边界层探测“城市边界层联合观测实验”项目于2005年7月17日至7月31日和2006年2月18日至3月6日两次在南京进行了夏、冬季节城市边界层联合观测实验。 本文通过分析实验期间气象激光雷达的探测数据，得到了南京市区夏、冬两季大气边界层结构日变化特征及它们的差异。对城市、郊区边界层日变化规律进行了对比，发现市区和郊区边界层日变化特征也有所差别；同时结合无电线探空仪和大气辐射探测数据，初步分析了云对城市边界层及夹卷层的反馈作用。 (四)激光雷达回波信号的小波去噪结合可移动式双波长米散射激光雷达探测的回波信号，分析讨论了使用小波变换进行激光雷达回波信号去噪时小波基和尺度函数的选择两个关键问题，通过实例分析证明小波变换是进行激光雷达回波信号去噪的有效方法。

目录

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第一章大气边界层气溶胶探测研究的重要意义

§1.1大气边界层简介

§1.2研究大气边界层的意义

1.2.1大气气溶胶特性

1.2.2大气气溶胶的生态环境及气候效应

§1.3大气边界层的研究方法

1.3.1大气边界层的研究方法

1.3.2大气边界层的激光雷达研究动态

参考文献

第二章机载激光雷达简介

§2.1机载激光雷达空对地大气探测的特点

§2.2机载激光雷达的结构

§2.3机载激光雷达研究国内外现状

参考文献

第三章机载大气探测激光雷达回波信号及信噪比的模拟计算

§3.1机载大气探测激光雷达方程和信噪比方程

§3.2模拟计算中使用的激光雷达参数和大气模式

§3.3大气回波信号及信噪比的模拟计算结果

§3.4机载大气探测激光雷达安全性评估

参考文献

第四章机载大气探测激光雷达研制的关键技术

§4.1单通道光学接收与信号探测

§4.2 A/D与光子计数相结合的信号采集

§4.3窄接收视场、窄带滤光片的天空背景光抑制

§4.4光学机械结构的稳定性

参考文献

第五章机载大气探测激光雷达的结构

§5.1机载大气探测激光雷达的总体结构

§5.2机载大气探测激光雷达各单元的结构

5.2.1激光发射单元

5.2.2接收光学和后继光学单元

5.2.3信号探测、采集与运行控制单元

5.2.4其它附属组件

§5.3机载大气探测激光雷达探测性能的评估

5.3.1背景基线的测定

5.3.2探测通道的线性增益特征

5.3.3与同类产品探测结果的比较测量

参考文献

第六章机载大气探测激光雷达数据反演及青岛地区大气探测研究

§6.1机载大气探测激光雷达数据反演

6.1.1大气回波信号的平均和背景噪声的剔除

6.1.2大气回波信号水平距离-高度图

6.1.3大气气溶胶消光系数垂直分布

§6.2青岛地区机载激光雷达实验研究

6.2.1实验目的、区域和时间

6.2.2飞机平台

6.2.3实验概况

§6.3实验结果与讨论

6.3.1大气回波信号廓线

6.3.2 11月8日探测结果

6.3.3 11月11日

参考文献

第七章城市边界层、夹卷层气溶胶探测的实验研究

§7.1实验概况

§7.2大气边界层和夹卷层确定方法

§7.3实验结果与讨论

7.3.1混合层高度对比观测

7.3.2夏、冬季城市边界层的日变化规律

7.3.3城市、郊区边界层日变化对比

7.3.4云的反馈作用

参考文献

第八章激光雷达回波信号的小波去噪

§8.1小波基与分解尺度

§8.2激光雷达大气回波信号的小波去噪

参考文献

第九章总结与展望

§9.1本文的研究内容和主要结论

§9.2本文的贡献与创新之处

§9.3进一步的工作展望

攻读博士学位期间参加的科研项目

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间申请的发明型专利

致谢