高分辨率全天时水汽探测差分吸收激光雷达技术研究

论文摘要

水汽是大气中最活跃的气象和气候因子,参与和影响大部分大气物理和化学过程,对大气水汽垂直分布的探测,有助于增加人类对大气水循环、水汽垂直输运过程、大气辐射传输模型的理解。激光雷达是一种基于探测不同高度大气对脉冲激光的散射信号强度,获取被测对象垂直分布特征的技术,相比原位探测、红外辐射测量等技术,具有高时间和空间分辨率的特点。利用工作于水汽振转吸收谱的差分吸收激光雷达,可以实现高信噪比水汽浓度的快速全天时探测,为大气湍流、边界层水汽垂直输运过程的研究提供高信噪比的测量数据。本论文介绍了一套工作于936nm波长可调谐地基水汽探测差分吸收激光雷达,具备全天时工作能力,能探测距离地表250m至3000m高度范围内大气水汽廓线。全文主要包含以下4个方面内容:1)分析差分吸收激光雷达探测技术原理,对所设计雷达进行参数化建模,评估引起水汽探测误差的各项因素及其对误差的贡献。分析得出高分辨率探测对发射激光线宽<400MHz、频率不确定度<200MHz、光谱纯度>99.5%的要求,同时计算出瑞利散射的多普勒展宽对936nm波段on-line下行有效吸收截面的影响普遍在130%量级,布里渊散射对多普勒展宽线型的改变程度在中心频率附近不超过20%,由此得出后续吸收截面校正工作的侧重点;2)完成了一套936nm地基水汽探测差分吸收激光雷达系统的研制工作,详细论述了单纵模发射机、双通道接收机以及配套客户端软件的设计思路与实现方式,重点描述了自研超高精度种子激光稳频系统、光参量振荡器谐振腔动态锁定系统。通过基于SFPI的超高精度种子激光稳频,on-line和off-line的种子激光可以达到4.329MHz(1.35×10-8)的稳频精度,配合基于Ramp-Hold-Fire的谐振腔腔长动态锁定,使得整个激光雷达发射机的发射激光频率稳定度达到28.66MHz(8.94×10-8);3)设计了基于Python的数据处理算法,依次介绍了算法各个步骤的实现方式及效果,并对主要误差进行了校正。反演结果表明,在时间分辨率60s,高度分辨率60m时,本系统的远场通道可以有效探测自重叠因子≥1（700m）至3000m高度范围内大气水汽廓线,近场通道的有效探测距离为自地面250m至1000m,随机误差不超过0.3g/m3。在时间分辨率10s,高度分辨率60m时,雷达数据应用基于“自协方差法”的湍流统计特征算法能够成功提取湍流统计特征,满足湍流研究需要;4)使用所研制的差分吸收激光雷达获得了上海市上空高时间分辨率的水汽浓度数据,选择了5次典型案例进行介绍,实验结果表明本系统在时间分辨率60s,高度分辨率60m时,能够全天时测量距地面250m至3000m范围内大气水汽浓度,并与同时刻上海市气象站释放的无线电探空仪数据进行了对比,证明了本系统探测的有效性。

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第1章引言

1.1 大气边界层水汽探测的重要意义

1.2 大气水汽探测

1.2.1 大气湿度定义

1.2.2 探测要求

1.2.3 探测方法

1.3 不同类型激光雷达在大气水汽探测中的优势与不足

1.4 水汽探测差分吸收激光雷达发展现状

1.4.1 国外典型案例及发展现状

1.4.2 国内发展现状

1.5 本文研究意义

第2章差分吸收激光雷达理论

2.1 大气特性

2.1.1 大气散射

2.1.2 大气吸收

2.2 差分吸收激光雷达基础理论

2.2.1 系统理论

2.2.2 工作波段选择

2.3 误差分析

2.3.1 系统误差

2.3.2 噪声分析

2.3.3 实验误差

2.4 本章小结

第3章差分吸收激光雷达系统设计

3.1 发射机设计

3.1.1 发射机泵浦光源选择

3.1.2 光参量震荡放大器设计

3.2 接收机设计

3.2.1 远场通道

3.2.2 近场通道

3.2.3 数据采集传输电路

3.3 基于SFPI的超高精度种子激光稳频

3.3.1 SFPI设计

3.3.2 电路设计

3.3.3 稳频精度分析及实验结果

3.4 基于Ramp-Hold-Fire的谐振腔腔长动态锁定

3.4.1 Ramp-Hold-Fire方法

3.4.2 电路设计

3.4.3 锁腔实验结果

3.5 激光雷达总体参数与工作时序

3.6 软件设计

3.7 本章小结

第4章差分吸收激光雷达数据处理方法

4.1 探测波长选择

4.2 激光雷达数据预处理

4.2.1 去除基底

4.2.2 累加平均

4.2.3 零相位低通滤波

4.3 选择合适的分辨率

4.4 浓度计算方法

4.4.1 浓度反演

4.4.2 吸收截面校正

4.5 近场通道

4.6 湍流参数提取

4.6.1 水汽浓度小时间尺度扰动提取

4.6.2 湍流参数提取

4.7 本章小结

第5章大气水汽探测实验结果

5.1 Case1

5.2 Case2

5.3 Case3

5.4 Case4

5.5 Case5

5.6 本章小结

第6章总结与展望

6.1 总结

6.1.1 研究成果

6.1.2 主要创新点

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位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: 李嘉唐

导师: 洪光烈

关键词: 水汽探测,激光雷达,差分吸收,激光稳频

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;P426;P412.25

DOI: 10.27581/d.cnki.gksjw.2019.000052

总页数: 124

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