基于CCD侧向散射激光雷达的测风实验研究

摘要

在气象观测中，地面风速和风向一直都是最基本的观测要素。针对目前传统的测风设备部件极易损坏、多普勒测风雷达造价过高难以推广的问题，本篇文章提出了一种基于CCD的侧向散射激光雷达用于风速测量研究，建立了径向风速与大气气溶胶浓度的关系模型，并对其进行验证及影响因素分析。具体研究如下：　　（1）针对研究课题对选题背景进行了简述，介绍了风速测量的几种方法及其工作原理，随后阐述了激光雷达及其在大气探测领域的应用和大气气溶胶浓度与风速关系的研究等方面在国内外的研究进展。　　（2）介绍了基于CCD侧向散射激光雷达进行风况研究的相关理论基础，阐述了大气气溶胶对激光的散射特性。针对文本研究内容，介绍了Mie散射理论及激光雷达方程，结合风速对大气颗粒物浓度的影响，说明了CCD侧向散射激光雷达进行测风实验的原理。　　（3）提出了一种基于CCD侧向散射激光雷达系统进行测风实验研究，首先根据Mie散射理论以及侧向散射激光雷达方程验证近地面气溶胶浓度与侧向散射光强分布总值存在线性关系的结论，随后利用探测装置采集回波信号图并提取出光强信息，通过与监测地点的实时风速值进行对比，建立起光强分布总值与风速值的关系模型，继而得到风速与大气气溶胶浓度之间存在的关联。通过对监测地点进行周期性的分析，确定无风情况下气溶胶浓度在50~60μg/m3、60~70μg/m3和70~80μg/m3范围为三个实验等级，为克服风向等气象条件、背景干扰光等多种因素对实验结果造成的干扰，实验选择在晴朗无风的夜晚通过风速可控的轴流风机替代自然风进行数据采集及分析，得到初步结论与关系模型。　　（4）对基于CCD侧向散射激光雷达测量系统得到的风速与光强分布总值关系模型在风况较好的夜晚根据实时风向进行多方向的实验进行验证；随后基于自主搭建的侧向散射激光雷达系统进行不同环境条件下的实验研究，分析垂直高度以及温度等因素对风速与光强分布总值关系实验的测量结果造成的影响，以期在后续风况研究过程中提升数据模型的精度，确保基于CCD侧向散射激光雷达测风系统可以更好的应用于风场探测。对整个实验周期在监测点获取的数据进行量化分析，最终得出结论，当风速在0~4m/s范围内时，大气气溶胶浓度随着风速增加而增加，当风速保持在5m/s以上时，大气气溶胶浓度呈现随风速增加而降低的趋势。而光强分布总值与风速的关系模型在本章节中研究的高度范围（0~40m）内，随高度增加而逐渐降低；通过对比不同月份下进行风速与光强分布总值的关系实验，得出侧向散射光强分布总值与风速值的关系随温度的上升而逐步降低的结论。

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