有限距离的斜程大气透过率测量研究

论文摘要

激光在浑浊大气中传输时,大气介质会与激光相互作用造成激光能量的衰减,而其衰减的程度一般使用大气透过率来进行评价。在目前的研究工作中对于整层大气透过率的研究已经较为成熟,主要的研究手段有太阳（恒星）辐射计、激光外差技术等,这些仪器为大气科学的发展起到了一定的推动作用。而对于有限距离的大气透过率测量来说,目前主要依靠后向散射激光雷达。准确测量有限距离的大气透过率对于各种激光设备的应用、激光通信以及航空观测具有重要的意义。然而,传统的后向散射激光雷达在近端会存在盲区和过渡区的影响,限制了其在有限距离大气透过率测量中的应用。本文主要研究的是利用新型的成像激光雷达系统获得近地面有限距离的大气透过率来弥补后向散射激光雷达盲区和过渡区的数据。本文主要完成了以下工作:1.完成了成像激光雷达系统的搭建。依据沙氏成像原理使像面、透镜的焦平面以及物面三者相交;依据定标公式获得了像素-距离之间的对应关系;通过理论计算,该新型成像激光雷达系统接收到的各个高度处的散射信号已经接近于后向散射;进行大气后向散射信号的距离分辨,实现了从近距离到远距离的大气后向散射信号的清晰成像和探测。2.对激光雷达探测得到的图像数据进行预处理。通过对获得的光柱图像进行平场处理减小了由于像素响应不均匀造成的误差;利用二维小波去噪等方法对图像进行去噪来提高图像的信噪比;利用高斯拟合等方法对光柱信号进行提取获得一维激光雷达信号。3.利用遗传算法（GA）和Broyden算法来估算水平方向上的消光系数边界值,并结合Klett算法反演水平消光系数廓线,进而得到水平大气能见度和大气透过率。本文中还提出了利用遗传算法优化的后向传播神经网络算法（GABP）通过激光雷达信号获取能见度也获得了较好的结果。4.提出了基于遗传算法、散射比法和Fernald算法相结合的组合算法（GA-IMBR-Fernald）反演垂直方向上的消光系数廓线。该算法的重点在于获得垂直探测范围内的消光系数边界值,并且通过仿真研究验证了该算法的可行性。该仿真研究通过输入一个模拟的消光系数廓线,进行一系列的正演、加噪、去噪、反演得到新的消光系数廓线,两者之间的均方根误差在0.02km-1以内。通过实验与传统的后向散射激光雷达对比了 600～1000m范围内的消光系数廓线,总体相对误差在可接受范围之内。最后获得了多天垂直方向上有限距离内的大气透过率。5.对有限距离内斜程方向上的大气消光系数廓线和大气透过率进行了测量。用单一角度的斜程探测与直接垂直探测进行了对比分析验证可行性;进行了多个角度的斜程探测,对比分析了各个斜程角度与垂直方向上探测结果的不同;长时间对某个角度的斜程大气进行探测,获得了随距离-时间的消光系数二维演变图,并且获得了斜程大气透过率。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 大气透过率测量国内外研究现状

1.3.1 太阳辐射计与恒星辐射计

1.3.2 激光外差技术

1.3.3 激光雷达

1.4 研究内容及结构

1.4.1 研究内容

1.4.2 论文框架

1.5 本章小结

第2章相关理论基础

2.1 大气成分与结构

2.2 典型的气溶胶粒子谱分布

2.2.1 幂指数定律

2.2.2 修正的r谱分布

2.2.3 对数正态分布

2.3 大气中的光散射理论

2.3.1 Rayleigh散射

2.3.2 Mie散射

2.4 米散射激光雷达测量消光系数廓线原理

2.4.1 传统米散射激光雷达工作原理

2.4.2 消光系数反演方法

2.5 能见度理论

2.5.1 能见度基本方程

2.5.2 水平能见度方程

2.6 大气透过率

2.7 本章小结

第3章成像激光雷达系统研制及数据预处理

3.1 成像激光雷达测量原理及结构设计

3.1.1 成像原理

3.1.2 系统结构

3.1.3 成像激光雷达方程

3.1.4 像素与距离定标关系

3.1.5 最小散射角及散射相函数

3.1.6 系统优势

3.2 数据预处理

3.2.1 图像平场处理

3.2.2 图像去噪方法

3.2.3 光柱信号提取

3.2.4 数据预处理流程

3.3 本章小结

第4章水平大气能见度和大气透过率测量

4.1 水平大气能见度测量

4.1.1 Belfort能见度仪简介

4.1.2 基于Broyden-Klett算法测量水平能见度

4.1.3 基于GA-Klett算法测量水平能见度

4.1.4 基于GABP算法获取水平能见度

4.1.5 几种获取能见度方法的讨论

4.2 水平大气透过率测量

4.2.1 水平大气透过率对比实验装置介绍

4.2.2 最小二乘法和直接测量方法的比较

4.2.3 Broyden算法、最小二乘法和直接测量方法的比较

4.3 本章小结

第5章垂直消光系数廓线和大气透过率测量

5.1 垂直消光系数廓线反演方法

5.2 垂直反演算法可行性验证

5.3 垂直消光系数和大气透过率测量结果

5.4 本章小结

第6章斜程消光系数廓线和大气透过率测量

6.1 斜程测量方法介绍

6.2 单角度斜程探测个例

6.3 多角度斜程探测数据分析

6.4 斜程测量气溶胶随时间的演化图

6.5 本章小结

第7章总结与展望

7.1 本文的主要贡献以及创新点

7.2 进一步的研究工作展望

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

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孙国栋

导师: 侯再红,秦来安

关键词: 斜程,透过率,激光雷达,消光系数,能见度

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 中国科学技术大学

分类号: P23

总页数: 108

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