云在地球大氣的水循環(huán)系統(tǒng)中起著必不可少的作用,若能正確探測云的宏觀和微觀物理特性,有助于通過人工影響天氣,減弱甚至消除極端天氣現(xiàn)象。目前機載儀器入云直接探測云特性方式存在威脅飛航安全的問題,而地基微波間接遙感探測云特性方式的測量精度普遍較低,因此,有必要發(fā)展機載激光雷達云特性探測技術,以提高測量的時空分辨率,同時消除飛航安全的隱患。本文基于現(xiàn)有氣溶膠散射型激光雷達技術為基礎,研究適用于云特性探測的機載激光雷達技術,重點研究多次散射條件下,對散射型激光雷達性能的影響,以推動我國機載激光雷達和人工影響天氣領域的研究進程。論文基于球形粒子的米散射理論,分析了多次散射對球形粒子散射光學特性的影響規(guī)律,提出并設計了近紅外波段機載偏振云激光雷達的原理設計,并仿真分析了系統(tǒng)探測性能。首先,從單個球型粒子模型出發(fā),分析了粒子光學特性參數(shù)與粒子尺度參數(shù)的關系,表明了激光束與云霧粒子作用時,可忽略大氣分子、小的氣溶膠粒子對激光的散射作用。為提高激光雷達探測云粒子的精度,仿真分析了多次散射對大氣激光雷達回波信號的影響,分別研究了激勵波長,望遠鏡接收視場角,云粒子數(shù)密度對多次散射比的影響,并基于Klett法分別求解單次散射和多次散射激光雷達方程,分析了多次散射條件下云粒子消光系數(shù)和散射系數(shù)的影響規(guī)律,即約是單次散射的2～3倍。為提高偏振云激光雷達探測距離,更加有效地探測云中粒子分布,提出了利用機載近紅外偏振激光雷達探測云粒子特性的方案,利用非球形粒子的退偏振理論甄別云粒子相態(tài),同時結(jié)合機載溫度傳感器和粒子測量系統(tǒng),以反演云粒子特性的空間分布,并設計了一種外掛式的光纖導光機載偏振激光雷達系統(tǒng),以降低探測盲區(qū),并改善探測距離。創(chuàng)建了云激光雷達分析模型,當云內(nèi)消光系數(shù)為3.91 km-1時,在探測距離為1km處,采用1550nm激勵源時的信噪比分別約為200和1000,而采用1064nm激勵源時的信噪比分別約為100和1000,分析結(jié)果表明,激勵波長1550nm在云粒子特性探測方面具有一定優(yōu)勢,且多次散射分析對于探測云粒子特性具有重要意義,驗證了所設計激光雷達系統(tǒng)探測云粒子特性的可行性。
【學位單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN958.98
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1.緒論
    1.1 研究背景及意義
    1.2 國內(nèi)外研究進展
        1.2.1 地基測量方式
        1.2.2 星載測量方式
        1.2.3 機載測量方式
    1.3 主要的研究內(nèi)容
2.云粒子的散射特性研究
    2.1 引言
    2.2 云霧粒子分類
    2.3 理論基礎
        2.3.1 米散射理論
        2.3.2 退偏振理論
    2.4 典型云粒子的光學特性
        2.4.1 典型云粒子的吸收和散射特性
        2.4.2 云粒子的散射相函數(shù)
        2.4.3 云粒子的散射光強
    2.5 本章小結(jié)
3.機載偏振激光雷達原理設計
    3.1 引言
    3.2 原理設計
    3.3 系統(tǒng)反演模型
    3.4 系統(tǒng)重疊因子
    3.5 云含水量反演方法
    3.6 本章小結(jié)
4.多次散射激光雷達方程反演
    4.1 引言
    4.2 多次散射理論
    4.3 多次散射模型
    4.4 散射相函數(shù)選取
    4.5 模型求解及仿真分析
    4.6 多次散射激光雷達方程
        4.6.1 云底和云頂確定
        4.6.2 多次散射因子
        4.6.3 激光雷達方程求解
    4.7 本章小結(jié)
5.偏振激光雷達系統(tǒng)探測性能仿真
    5.1 單次米散射條件
    5.2 不同能見度條件
    5.3 已知云粒子譜
    5.4 考慮多次散射情況
    5.5 本章小結(jié)
6.總結(jié)與展望
    6.1 總結(jié)
    6.2 展望
致謝
參考文獻
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【參考文獻】

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本文編號：2893310