【摘要】：在大氣物理化學(xué)、天氣動力學(xué)、氣象及環(huán)境的研究過程中,空氣溫度是基本的參數(shù)之一。空氣溫度的變化會使得大氣動力學(xué)過程和微量成分的分布發(fā)生變化。探測近地面空氣溫度可以為大氣環(huán)境、大氣動力學(xué)過程和天氣分析及預(yù)報(bào)等研究提供重要的參考信息。探測空氣溫度,對研究太陽輻射、城市熱島現(xiàn)象、提高氣象預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度、特別對研究解釋地球溫暖化現(xiàn)象等具有重要的意義。近地面空氣溫度的分布具有很大程度的變化性,而目前的近地面溫度測量手段多為接觸式測量,無法避免其產(chǎn)生的原理性誤差,因而人們很難準(zhǔn)確的對空氣溫度進(jìn)行探測。本文根據(jù)高光譜激光雷達(dá)近地面空氣溫度的探測方法,設(shè)計(jì)了近地面空氣溫度探測激光雷達(dá)系統(tǒng),包括激光發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和光電探測系統(tǒng)。完成了激光發(fā)射系統(tǒng)部分的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)和分光系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)及分光系統(tǒng)和整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。依據(jù)近地面空氣溫度探測要求和整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性,設(shè)計(jì)了相匹配封裝結(jié)構(gòu)。通過SolidWorks有限元分析方法,對機(jī)械結(jié)構(gòu)的溫度特性和頻率特性進(jìn)行分析。利用設(shè)計(jì)的空氣溫度高光譜激光雷達(dá)系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室搭建了模擬探測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了散射池溫度探測。根據(jù)脈沖激光頻率及掃描式共聚焦F-P干涉儀參數(shù)設(shè)計(jì)了電壓控制方法并完成了電壓衰減電路調(diào)試。以可以調(diào)節(jié)溫度和壓力的散射池為探測對象,分別完成不同溫度與壓力下的散射譜散點(diǎn)測量,并對測得信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和反演,得到溫度信息。結(jié)果表明,通過實(shí)驗(yàn)測得的瑞利散射散點(diǎn)譜反演得到的溫度與實(shí)測溫度誤差小于1.9K,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。分析表明近地面高光譜瑞利測溫雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)對溫度的探測,為近地面空氣溫度探測提供了一種可行的方案。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN958.98
【圖文】：

和布里淵散射。布里淵散射會使得實(shí)驗(yàn)測得的瑞利散射譜加寬。米散射會使得實(shí)逡逑驗(yàn)測得的瑞利散射譜中心能量升高。因此，在利用瑞利散射進(jìn)行溫度測量時(shí)，必逡逑須對布里淵散射和米散射進(jìn)行有效的剔除。米散射和瑞利散射譜型如圖２－１所示。逡逑空氣分子的瑞利散射譜函數(shù)Ｒ可表示為逡逑尺（Ｖ，Ｖ。）邋＝邋４Nｆ邋？邋ｅｘｐ［，２（？。）］邐（２－２）逡逑Ｖ邋0／邋ｖ０｛２ｔｉｋＴ）邋Ｌ邋２ｋＴｖＩ逡逑式中，ｍ為大氣分子的分子質(zhì)量，ｔｃ為玻爾茲曼常數(shù)，ｖ。為入射光頻率，ｃ為逡逑光速，７為大氣溫度。逡逑空氣分子瑞利散射光譜的多普勒展寬的半高全寬Ａｖｔ表示為逡逑Ｉ３２＾ｎ２邐（２－３）逡逑式中，▲為入射光波長，Ｍ為大氣分子的相對分子質(zhì)量。測量空氣溫度，逡逑可以通過精細(xì)提取與溫度相關(guān)的瑞利－布里淵散射的譜型，利用掃描式共聚焦逡逑Ｆ－Ｐ干涉儀完成對的瑞利－布里淵散射譜型散點(diǎn)能量譜獲取，精細(xì)擬合散射譜逡逑型獲得其半高譜寬Ａｖｒ

逡逑１逡逑Ｒｅｌａｔｉｖｅ邋ｉｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＧＩｉｚ）逡逑圖２－１瑞利散射與米散射的散射譜分布逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｅｎｖｅｌｏｐｅ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｒａｙｌｅｉｇｈ邋ａｎｄ邋Ｍｉｅ邋ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ．逡逑２．２布里淵散射逡逑大氣中的分子存在著連續(xù)不斷的熱運(yùn)動，并使大氣分子內(nèi)始終存在著不逡逑同程度的彈性力學(xué)振動，導(dǎo)致對入射光產(chǎn)生的散射效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為布里逡逑淵散射Ｂ４＾。布里淵散射為非彈性散射，非彈性散射的特點(diǎn)為激發(fā)光的頻率與逡逑散射光不Ｍ，并且散射光頻率漂移量的大小與大氣壓力特性有關(guān)。一般來說，逡逑布里淵散射等同于在運(yùn)動光柵上發(fā)生的衍射。通常認(rèn)為：空氣的濃度和密度會逡逑周期性變化，布里淵散射是壓力與空氣密度相關(guān)的非彈性散射。一般采用的逡逑布里淵模型如公式（２－４）所示。逡逑ａｖｂ＝ＸＣ邐（２－４）逡逑式中，１為激光波長，ｎ為大氣折射率，＇＾為大氣聲速，０為散射角度。畝逡逑上式可知，，當(dāng)入射激光波長不變時(shí)布里淵散射的頻移與大氣聲速和折射率相逡逑關(guān)其中大氣聲速１４邋般簡化為逡逑Ｖｓ＝邐（２－５）逡逑Ｖ邋ｍ0逡逑式中

的束腰位于測量點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的能量最大，有利于系統(tǒng)信噪比的提高。由于平面波逡逑與高斯光束的不同，需要對激光準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行分析與計(jì)算，以確定最佳的調(diào)逡逑焦尨。＾般采用的光學(xué)擴(kuò)束系統(tǒng)如圖３－２所示。逡逑主娩逡逑次鐵逡逑５邋／．邐邐Ｖ邐？逡逑／２邋１逡逑圖３－２光學(xué)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)示意圖逡逑Ｆｉｇ．３－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｆｏｃｕｓｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑激光發(fā)射光束的入射面ｓ處入射，入射面Ｓ與次鏡之間的為ｓ，再經(jīng)過主鏡逡逑／２匯聚到距離主鏡／２為１的尅示測f埖悖按Γ骶滌氪尉抵淶木嗬胛耍插澹澹�，辶x細(xì)米賈崩┦低炒潯浠瘓卣笪劍ǎ常保┧盡ｅ義希郟徨澹猓藎擼埽苠

本文編號：2784224