【摘要】：水汽是大氣中最活躍的氣象和氣候因子,參與和影響大部分大氣物理和化學(xué)過程,對大氣水汽垂直分布的探測,有助于增加人類對大氣水循環(huán)、水汽垂直輸運(yùn)過程、大氣輻射傳輸模型的理解。激光雷達(dá)是一種基于探測不同高度大氣對脈沖激光的散射信號強(qiáng)度,獲取被測對象垂直分布特征的技術(shù),相比原位探測、紅外輻射測量等技術(shù),具有高時間和空間分辨率的特點。利用工作于水汽振轉(zhuǎn)吸收譜的差分吸收激光雷達(dá),可以實現(xiàn)高信噪比水汽濃度的快速全天時探測,為大氣湍流、邊界層水汽垂直輸運(yùn)過程的研究提供高信噪比的測量數(shù)據(jù)。本論文介紹了一套工作于936nm波長可調(diào)諧地基水汽探測差分吸收激光雷達(dá),具備全天時工作能力,能探測距離地表250m至3000m高度范圍內(nèi)大氣水汽廓線。全文主要包含以下4個方面內(nèi)容:1)分析差分吸收激光雷達(dá)探測技術(shù)原理,對所設(shè)計雷達(dá)進(jìn)行參數(shù)化建模,評估引起水汽探測誤差的各項因素及其對誤差的貢獻(xiàn)。分析得出高分辨率探測對發(fā)射激光線寬400MHz、頻率不確定度200MHz、光譜純度99.5%的要求,同時計算出瑞利散射的多普勒展寬對936nm波段on-line下行有效吸收截面的影響普遍在130%量級,布里淵散射對多普勒展寬線型的改變程度在中心頻率附近不超過20%,由此得出后續(xù)吸收截面校正工作的側(cè)重點;2)完成了一套936nm地基水汽探測差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)的研制工作,詳細(xì)論述了單縱模發(fā)射機(jī)、雙通道接收機(jī)以及配套客戶端軟件的設(shè)計思路與實現(xiàn)方式,重點描述了自研超高精度種子激光穩(wěn)頻系統(tǒng)、光參量振蕩器諧振腔動態(tài)鎖定系統(tǒng)。通過基于SFPI的超高精度種子激光穩(wěn)頻,on-line和off-line的種子激光可以達(dá)到4.329MHz(1.35×10~(-8))的穩(wěn)頻精度,配合基于Ramp-Hold-Fire的諧振腔腔長動態(tài)鎖定,使得整個激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射激光頻率穩(wěn)定度達(dá)到28.66MHz(8.94×10~(-8));3)設(shè)計了基于Python的數(shù)據(jù)處理算法,依次介紹了算法各個步驟的實現(xiàn)方式及效果,并對主要誤差進(jìn)行了校正。反演結(jié)果表明,在時間分辨率60s,高度分辨率60m時,本系統(tǒng)的遠(yuǎn)場通道可以有效探測自重疊因子≥1(~700m)至3000m高度范圍內(nèi)大氣水汽廓線,近場通道的有效探測距離為自地面250m至1000m,隨機(jī)誤差不超過0.3g/m~3。在時間分辨率10s,高度分辨率60m時,雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用基于“自協(xié)方差法”的湍流統(tǒng)計特征算法能夠成功提取湍流統(tǒng)計特征,滿足湍流研究需要;4)使用所研制的差分吸收激光雷達(dá)獲得了上海市上空高時間分辨率的水汽濃度數(shù)據(jù),選擇了5次典型案例進(jìn)行介紹,實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)在時間分辨率60s,高度分辨率60m時,能夠全天時測量距地面250m至3000m范圍內(nèi)大氣水汽濃度,并與同時刻上海市氣象站釋放的無線電探空儀數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,證明了本系統(tǒng)探測的有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN958.98;P426;P412.25

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本文編號：2604288