【摘要】：大氣壓強,是指單位面積上從觀測高度直至大氣上界整個空氣柱的重量,是氣象學(xué)中極其重要的一個物理量,它的分布和變化與大氣運動和天氣狀況有密切關(guān)系,基本上所有大氣模型都需要用到壓強參數(shù)。在全球數(shù)值天氣預(yù)報和氣候變化研究等相關(guān)氣象領(lǐng)域的應(yīng)用中,需要高精度的大氣壓強數(shù)據(jù),國際氣象組織提出為了滿足全球數(shù)值天氣預(yù)報的要求,全球地表大氣壓強測量的不確定度(1σ精度)小于,水平分辨率不大于。激光雷達技術(shù)是可用于全球范圍內(nèi)開展大氣壓強遙感探測的技術(shù),能有效地獲取高時空分辨率的氣象數(shù)據(jù),可搭載于機載或星載平臺用來探測大氣壓強。本論文利用激光雷達技術(shù)開展了大氣壓強探測的研究工作,具有較好的科學(xué)探索性和應(yīng)用前景。氧氣在干空氣中的體積比固定為20.95%,且在氧氣的A吸收帶內(nèi),氧氣是大氣中的唯一吸收氣體,所以氧氣A吸收帶的吸收特征可以被應(yīng)用于壓強探測中。論文首先建立了氧氣A吸收帶吸收譜線的計算模型,并分析了譜線的溫度壓強敏感特性。由于探測對象為大氣壓強,所以激光雷達的探測波長選擇在吸收譜線對溫度不敏感的區(qū)間內(nèi)。然后提出了利用星載積分路徑差分吸收(IPDA)激光雷達探測地表壓強的反演算法,該方法通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)建立差分吸收光學(xué)厚度與對應(yīng)的大氣壓強關(guān)系,利用激光雷達探測到的差分吸收光學(xué)厚度數(shù)據(jù),通過查表方式反演出大氣壓強。通過建立星載激光雷達的仿真模型和大氣溫濕壓仿真模型,評估了各項雷達參數(shù)對探測性能的影響和算法自身引入的誤差。通過計算不同探測波長下雷達探測地表壓強的誤差大小選出合適的探測波長對。在選擇該探測波長的情況下,得出最終激光雷達探測的誤差在我們的要求之內(nèi)。為了驗證激光雷達探測大氣壓強的可行性,建立了地基激光雷達系統(tǒng)的仿真,比較不同波長的探測性能得出地基激光雷達探測大氣壓強的合適波長對。在此基礎(chǔ)上,本文設(shè)計了一套基于脈沖激光器的地基差分吸收激光雷達系統(tǒng),對系統(tǒng)各部分工作原理做了闡述并分析其性能參數(shù)。著重介紹了系統(tǒng)發(fā)射機的設(shè)計和接收光路的調(diào)校。最終完成對地基激光雷達系統(tǒng)的搭建、調(diào)試和實驗。最后對實驗數(shù)據(jù)做了處理,由于系統(tǒng)接收到的是大氣散射回波,其信噪比不高,需要通過時間累積來提高信噪比。論文比較了3種累積平均方法,選擇性能最好的作為數(shù)據(jù)處理手段。然后通過建立的壓強反演算法得到了上海地區(qū)特定高度的高精度高時間分辨率壓強數(shù)據(jù),在時間分辨率5min,高度2000m處的壓強探測的隨機誤差小于。
【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;P412.25;P424

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前4條

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2 劉豪;舒嶸;洪光烈;鄭龍;葛燁;胡以華;;連續(xù)波差分吸收激光雷達測量大氣CO_2[J];物理學(xué)報;2014年10期

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本文編號：2676825