【摘要】：大氣壓強(qiáng),是指單位面積上從觀測(cè)高度直至大氣上界整個(gè)空氣柱的重量,是氣象學(xué)中極其重要的一個(gè)物理量,它的分布和變化與大氣運(yùn)動(dòng)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(qiáng)參數(shù)。在全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)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(qiáng)數(shù)據(jù),國(guó)際氣象組織提出為了滿足全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的要求,全球地表大氣壓強(qiáng)測(cè)量的不確定度(1σ精度)小于,水平分辨率不大于。激光雷達(dá)技術(shù)是可用于全球范圍內(nèi)開展大氣壓強(qiáng)遙感探測(cè)的技術(shù),能有效地獲取高時(shí)空分辨率的氣象數(shù)據(jù),可搭載于機(jī)載或星載平臺(tái)用來(lái)探測(cè)大氣壓強(qiáng)。本論文利用激光雷達(dá)技術(shù)開展了大氣壓強(qiáng)探測(cè)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(qiáng)探測(cè)中。論文首先建立了氧氣A吸收帶吸收譜線的計(jì)算模型,并分析了譜線的溫度壓強(qiáng)敏感特性。由于探測(cè)對(duì)象為大氣壓強(qiáng),所以激光雷達(dá)的探測(cè)波長(zhǎng)選擇在吸收譜線對(duì)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(dá)探測(cè)地表壓強(qiáng)的反演算法,該方法通過(guò)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立差分吸收光學(xué)厚度與對(duì)應(yīng)的大氣壓強(qiáng)關(guān)系,利用激光雷達(dá)探測(cè)到的差分吸收光學(xué)厚度數(shù)據(jù),通過(guò)查表方式反演出大氣壓強(qiáng)。通過(guò)建立星載激光雷達(dá)的仿真模型和大氣溫濕壓仿真模型,評(píng)估了各項(xiàng)雷達(dá)參數(shù)對(duì)探測(cè)性能的影響和算法自身引入的誤差。通過(guò)計(jì)算不同探測(cè)波長(zhǎng)下雷達(dá)探測(cè)地表壓強(qiáng)的誤差大小選出合適的探測(cè)波長(zhǎng)對(duì)。在選擇該探測(cè)波長(zhǎng)的情況下,得出最終激光雷達(dá)探測(cè)的誤差在我們的要求之內(nèi)。為了驗(yàn)證激光雷達(dá)探測(cè)大氣壓強(qiáng)的可行性,建立了地基激光雷達(dá)系統(tǒng)的仿真,比較不同波長(zhǎng)的探測(cè)性能得出地基激光雷達(dá)探測(cè)大氣壓強(qiáng)的合適波長(zhǎng)對(duì)。在此基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了一套基于脈沖激光器的地基差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng),對(duì)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(jī)的設(shè)計(jì)和接收光路的調(diào)校。最終完成對(duì)地基激光雷達(dá)系統(tǒng)的搭建、調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)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(guò)時(shí)間累積來(lái)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(guò)建立的壓強(qiáng)反演算法得到了上海地區(qū)特定高度的高精度高時(shí)間分辨率壓強(qiáng)數(shù)據(jù),在時(shí)間分辨率5min,高度2000m處的壓強(qiáng)探測(cè)的隨機(jī)誤差小于。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN958.98;P412.25;P424

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2676825