本文關(guān)鍵詞：大氣二氧化碳探測差分吸收激光雷達(dá)技術(shù)研究

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【摘要】：自進(jìn)入工業(yè)化社會以來,由于人類廣泛使用化石燃料以滿足日益增長的工業(yè)化活動,大氣中以二氧化碳為代表的溫室氣體急劇上升,隨之產(chǎn)生的溫室效應(yīng)也愈發(fā)明顯。研究二氧化碳?xì)怏w的源匯變化對了解溫室效應(yīng)有重要意義。差分吸收激光雷達(dá)作為一種監(jiān)測大氣二氧化碳濃度的有效手段,具有精度高,可全天候工作等優(yōu)點,其應(yīng)用得到了越來越多的國家關(guān)注。因此對差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)問題展開研究,對以后研制我國自主的探測設(shè)備具有重要意義。本文首先研究了差分吸收激光雷達(dá)的基本原理,深入分析了波長漂移及水汽干擾對系統(tǒng)絕對誤差帶來的影響,并利用隨機(jī)誤差傳遞理論計算出系統(tǒng)隨機(jī)誤差與信噪比之間的關(guān)系。在理論分析的基礎(chǔ)上搭建了實驗系統(tǒng),并對其精度進(jìn)行了標(biāo)定。獲得了上海地區(qū)連續(xù)多天的二氧化碳濃度觀測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)表明差分吸收激光雷達(dá)的測量結(jié)果與點探測器沒有明顯的一致性,在大氣環(huán)境穩(wěn)定的情況下,兩者具有比較吻合的趨勢,但在復(fù)雜天氣下,點探測器的抖動明顯變大。本文創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1)提出了一種基于時間測量法的偏頻鎖定技術(shù),利用共焦腔法布里-珀羅干涉儀,實現(xiàn)了對OFF激光器的偏頻鎖定,頻率鎖定精度優(yōu)于0.1MHz;2)提出了基于激光器掃頻的系統(tǒng)定標(biāo)方法,系統(tǒng)可以在正常工作狀態(tài)下隨時完成標(biāo)定過程,并且一次標(biāo)定就能獲得系統(tǒng)隨機(jī)誤差和零點的數(shù)據(jù),測量結(jié)果表明本系統(tǒng)的系統(tǒng)隨機(jī)誤差優(yōu)于0.525%。3)獲得了上海市虹口區(qū)上空連續(xù)多天的二氧化碳濃度監(jiān)測數(shù)據(jù),特別是獲得了復(fù)雜氣候條件下二氧化碳的濃度變化,為二氧化碳變化規(guī)律提供了寶貴的實驗數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)為國內(nèi)首臺可以全天候連續(xù)工作的測量大氣二氧化碳濃度的差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng),并較為詳細(xì)的分析了系統(tǒng)搭建所涉及的波長選擇、頻率穩(wěn)定、定標(biāo)等關(guān)鍵問題,對國內(nèi)開展相關(guān)工作具有一定參考價值。
【關(guān)鍵詞】：差分吸收激光雷達(dá) 偏頻鎖定 大氣成分檢測 系統(tǒng)隨機(jī)誤差標(biāo)定
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN958.98
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-27
• 1.1 研究背景及意義9-13
• 1.2 二氧化碳觀測歷史13-16
• 1.3 二氧化碳遙感技術(shù)研究現(xiàn)狀16-25
• 1.3.1 被動遙感技術(shù)研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3.2 主動遙感技術(shù)研究現(xiàn)狀19-25
• 1.3.3 國內(nèi)監(jiān)測二氧化碳研究現(xiàn)狀25
• 1.4 論文研究內(nèi)容和論文安排25-27
• 2 差分吸收激光雷達(dá)方程和誤差分析27-41
• 2.1 激光與大氣的相互作用27-29
• 2.2 差分吸收激光雷達(dá)方程29-31
• 2.3 回波信號信噪比與系統(tǒng)隨機(jī)誤差的關(guān)系31-33
• 2.4 系統(tǒng)波長選擇與波長漂移帶來的誤差分析33-39
• 2.4.1 系統(tǒng)波長選擇33-37
• 2.4.2 波長漂移帶來的誤差分析37-39
• 2.5 水汽吸收帶來的影響39
• 2.6 本章小結(jié)39-41
• 3 大氣二氧化碳探測差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計41-83
• 3.1 系統(tǒng)工作體制41-42
• 3.2 種子激光光源驅(qū)動設(shè)計42-54
• 3.2.1 激光器電流源設(shè)計44-48
• 3.2.2 激光器溫度控制器設(shè)計48-54
• 3.3 ON光源頻率鎖定技術(shù)54-58
• 3.4 發(fā)射光學(xué)部分58-62
• 3.4.1 光放大器58-62
• 3.4.2 擴(kuò)束鏡62
• 3.5 接收光學(xué)部分62-63
• 3.6 電子學(xué)設(shè)計63-75
• 3.6.1 探測器選型63-66
• 3.6.2 前放電路的設(shè)計66-73
• 3.6.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路73-75
• 3.7 調(diào)制器驅(qū)動和偏壓控制75-80
• 3.8 上位機(jī)軟件設(shè)計80-82
• 3.9 本章小結(jié)82-83
• 4 偏頻鎖定技術(shù)83-93
• 4.1 偏頻鎖定技術(shù)84-86
• 4.2 偏頻鎖定系統(tǒng)設(shè)計86-90
• 4.3 系統(tǒng)測試結(jié)果90-91
• 4.4 本章小結(jié)91-93
• 5 系統(tǒng)隨機(jī)誤差及零點標(biāo)定93-99
• 5.1 常規(guī)標(biāo)定方法93-96
• 5.2 掃頻法系統(tǒng)標(biāo)定及標(biāo)定步驟96-98
• 5.3 本章小結(jié)98-99
• 6 實驗測量和數(shù)據(jù)分析99-105
• 6.1 實驗系統(tǒng)99-100
• 6.2 系統(tǒng)抗干擾效果的驗證100
• 6.3 系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)100-103
• 6.4 本章小結(jié)103-105
• 7 總結(jié)與展望105-109
• 7.1 本文的主要研究工作和成果105-106
• 7.2 本文主要的創(chuàng)新點106
• 7.3 工作中存在的不足和后續(xù)工作展望106-109
• 參考文獻(xiàn)109-115

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本文編號：1093107