基于760nm波段激光雷达探测大气压强的方法研究

论文摘要

大气压强,是指单位面积上从观测高度直至大气上界整个空气柱的重量,是气象学中极其重要的一个物理量,它的分布和变化与大气运动和天气状况有密切关系,基本上所有大气模型都需要用到压强参数。在全球数值天气预报和气候变化研究等相关气象领域的应用中,需要高精度的大气压强数据,国际气象组织提出为了满足全球数值天气预报的要求,全球地表大气压强测量的不确定度(1σ精度)小于,水平分辨率不大于。激光雷达技术是可用于全球范围内开展大气压强遥感探测的技术,能有效地获取高时空分辨率的气象数据,可搭载于机载或星载平台用来探测大气压强。本论文利用激光雷达技术开展了大气压强探测的研究工作,具有较好的科学探索性和应用前景。氧气在干空气中的体积比固定为20.95%,且在氧气的A吸收带内,氧气是大气中的唯一吸收气体,所以氧气A吸收带的吸收特征可以被应用于压强探测中。论文首先建立了氧气A吸收带吸收谱线的计算模型,并分析了谱线的温度压强敏感特性。由于探测对象为大气压强,所以激光雷达的探测波长选择在吸收谱线对温度不敏感的区间内。然后提出了利用星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达探测地表压强的反演算法,该方法通过经验数据建立差分吸收光学厚度与对应的大气压强关系,利用激光雷达探测到的差分吸收光学厚度数据,通过查表方式反演出大气压强。通过建立星载激光雷达的仿真模型和大气温湿压仿真模型,评估了各项雷达参数对探测性能的影响和算法自身引入的误差。通过计算不同探测波长下雷达探测地表压强的误差大小选出合适的探测波长对。在选择该探测波长的情况下,得出最终激光雷达探测的误差在我们的要求之内。为了验证激光雷达探测大气压强的可行性,建立了地基激光雷达系统的仿真,比较不同波长的探测性能得出地基激光雷达探测大气压强的合适波长对。在此基础上,本文设计了一套基于脉冲激光器的地基差分吸收激光雷达系统,对系统各部分工作原理做了阐述并分析其性能参数。着重介绍了系统发射机的设计和接收光路的调校。最终完成对地基激光雷达系统的搭建、调试和实验。最后对实验数据做了处理,由于系统接收到的是大气散射回波,其信噪比不高,需要通过时间累积来提高信噪比。论文比较了3种累积平均方法,选择性能最好的作为数据处理手段。然后通过建立的压强反演算法得到了上海地区特定高度的高精度高时间分辨率压强数据,在时间分辨率5min,高度2000m处的压强探测的随机误差小于。

论文目录

摘要

abstract

第1章 .绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 压强探测方法

1.2.1 被动遥感探测方法

1.2.2 主动遥感探测方法

1.2.3 地表大气压强探测方法小结

1.3 激光雷达探测压强历史以及现状

1.4 研究目的以及论文结构

第2章 .氧气A吸收带吸收光谱

2.1 谱线强度函数及其温度敏感性

2.2 谱线线型函数及其温压敏度性

2.2.1 Gauss线型及其温度敏感性

2.2.2 Lorentz线型及其温度与压强敏感性

2.2.3 Voigt线型及其温度与压强敏感性

2.3 氧气A吸收带吸收谱线计算

2.3.1 HITRAN数据库

2.3.2 氧气A吸收带吸收谱线计算结果

2.4 本章小结

第3章 .星载IPDA激光雷达探测大气压强方法

3.1 星载IPDA激光雷达探测原理和反演方法

3.2 误差分析方法

3.2.1 星载IPDA激光雷达系统测量误差计算

3.2.2 反演方法带来的误差

3.2.3 用于仿真模型的主要参数

3.3 星载IPDA激光雷达系统的性能分析

3.3.1 脉冲激光线宽

3.3.2 脉冲激光频率稳定性

3.3.3 激光光谱纯度

3.3.4 背景辐射噪声

3.3.5 探测器噪声以及电路测量精度

3.3.6 激光脉冲能量和接收望远镜口径

3.3.7 卫星轨道高度和多普勒频移

3.3.8 本节小结

3.4 反演方法带来的误差计算

3.5 探测波长的选择

3.6 本章小结

第4章 .地基激光雷达探测大气压强方法

4.1 大气散射

4.1.1 大气分子的散射

4.1.2 气溶胶的散射

4.2 地基激光雷达原理

4.2.1 地基激光雷达方程

4.2.2 地基激光雷达探测大气压强原理和方法

4.3 地基激光雷达系统压强探测误差分析

4.3.1 地基激光雷达探测系统探测压强的系统误差

4.3.2 地基激光雷达探测系统探测压强的随机误差

4.3.3 反演方法带来的误差

4.4 地基激光雷达误差计算结果以及波长选择

4.5 本章小节

第5章 .地基激光雷达系统设计

5.1 激光雷达系统发射机设计

5.1.1 泵浦激光器

5.1.2 脉冲激光频率转换

5.1.3 种子激光器的频率稳定

5.1.4 种子光切换与发射机工作时序

5.1.5 扩束镜

5.1.6 能量监视部分

5.2 激光雷达系统接收机设计

5.2.1 望远镜及回波接收光路

5.2.2 数据采集系统

5.3 本章小结

第6章 .地基激光雷达数据处理以及实验结果与分析

6.1 地基激光雷达的数据处理以及反演

6.2 地基激光雷达实验结果与分析

6.3 本章小结

第7章 .总结与展望

7.1 本文的主要研究成果与创新点

7.1.1 本文主要研究成果

7.1.2 本文的创新点

7.2 本文研究的不足

7.3 后续工作的展望

参考文献

致谢

作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王钦

导师: 洪光烈

关键词: 激光雷达,差分吸收,大气压强探测,反演算法

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 气象学,气象学,电信技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

分类号: TN958.98;P412.25;P424

DOI: 10.27581/d.cnki.gksjw.2019.000001

总页数: 137

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