本文關(guān)鍵詞：純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼—瑞利激光雷達(dá)中低空大氣溫度探測(cè)研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢物理與數(shù)學(xué)研究所)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 大氣溫度 激光雷達(dá) 中低空 純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼 瑞利 自校準(zhǔn) 擾動(dòng)特征

【摘要】：大氣溫度是描述大氣狀態(tài)的一個(gè)重要?dú)庀髤?shù)。利用高時(shí)空分辨的激光雷達(dá)探測(cè)大氣溫度是大氣熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究的一種有效手段。通過各個(gè)層段的大氣溫度連通性探測(cè),對(duì)研究各大氣層之間的能量傳播以及人類活動(dòng)對(duì)大氣環(huán)境的影響都具有重要意義。本論文以中低空大氣溫度探測(cè)為研究目標(biāo),研制出了一套純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼-瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了5-80 km范圍的大氣溫度高精度探測(cè)；通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析,提出了新的校準(zhǔn)反演方法,同時(shí)對(duì)中低空大氣溫度的熱結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)特征進(jìn)行了分析。主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)本文主要完成了一套集成純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼與瑞利兩種測(cè)溫機(jī)制的激光雷達(dá)系統(tǒng)的研制。該激光雷達(dá)系統(tǒng)的激光發(fā)射單元采用種子注入的Nd:YAG激光器二次倍頻輸出脈沖能量約300 mJ的532.106nm激光,通過碘分子穩(wěn)頻技術(shù)保證了中低空大氣風(fēng)場(chǎng)和溫度的聯(lián)合觀測(cè)；接收單元采用1m口徑的長(zhǎng)焦卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡,通過收發(fā)精確匹配、高分辨光譜分光濾光優(yōu)化設(shè)計(jì)以及分通道斬波技術(shù),實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼和瑞利散射回波信號(hào)的高效接收與分離：采集單元利用斬波同步觸發(fā)控制和弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù),對(duì)中低空不同探測(cè)范圍的回波信號(hào)進(jìn)行了采集和處理。(2)本文基于純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼-瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)完成了中低空大氣溫度的連通探測(cè)。利用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫方法實(shí)現(xiàn)了低空5-40 km的大氣溫度探測(cè),利用高、低空瑞利探測(cè)通道分別實(shí)現(xiàn)了50～80 km和30-60 km的中層大氣溫度探測(cè)。根據(jù)重疊區(qū)域(30～40 km、50-60 km)的溫度數(shù)據(jù),本文提出了一種數(shù)據(jù)融合方法,獲得了5-80 km完整的溫度廓線。在6h(1 h)的累積時(shí)間下,對(duì)不同高度段分別采用600 m、900 m和1200 m的空間分辨率,10 km高度轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼的溫度測(cè)量精度為0.1 K(0.3 K),30 km增大為0.7 K(1.8 K)；低空瑞利通道從30 km到50 km的溫度測(cè)量不確定度從0.15 K(0.4 K)增大到1.1 K(2.7 K),而對(duì)于高空瑞利通道,溫度測(cè)量的不確定度從50 km處的0.4 K(1.0 K)逐漸增大為80 km的3.4 K(8.8 K)。此外,轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼-瑞利激光雷達(dá)的觀測(cè)結(jié)果還與同時(shí)段的探空氣球、模式(NRLMSISE00)和衛(wèi)星(TIMED/SABER)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,結(jié)果的一致性證明了該激光雷達(dá)系統(tǒng)溫度測(cè)量的可靠性。(3)本文分別對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼和瑞利的溫度反演算法進(jìn)行了模擬,并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼溫度反演方法,本文重點(diǎn)分析了濾光片參數(shù)的優(yōu)化選取及校準(zhǔn)函數(shù)的選擇,討論了系統(tǒng)參數(shù)變化(激光波長(zhǎng)、線寬和濾光片角度)對(duì)校準(zhǔn)和溫度反演結(jié)果的影響。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù),針對(duì)不同時(shí)空分辨下的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼溫度探測(cè)精度、對(duì)流層頂附近及四季不同的溫度結(jié)構(gòu)特征分別進(jìn)行了分析；而對(duì)于瑞利溫度反演方法,本文主要討論了參考值和氣溶膠含量對(duì)大氣密度和溫度反演結(jié)果的影響。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)高、低空瑞利通道分別探測(cè)到的密度、溫度及相應(yīng)的擾動(dòng)進(jìn)行了分析。從轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼和瑞利的溫度擾動(dòng)中可以看出,大氣的不同高度均出現(xiàn)有周期性的波動(dòng)特征。(4)本文基于轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼與瑞利兩種機(jī)制之間長(zhǎng)達(dá)10 km的重疊探測(cè),提出了一種利用瑞利溫度對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼回波信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)和溫度反演的新方法,即自校準(zhǔn)方法。利用同一套激光雷達(dá)系統(tǒng)中的兩種測(cè)溫機(jī)制實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn),具有時(shí)空一致性和實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì),而且不依賴于其他溫度探測(cè)手段,更適于野外環(huán)境的觀測(cè)。但是,自校準(zhǔn)方法受校準(zhǔn)區(qū)間和信噪水平的限制,與氣球校準(zhǔn)方法相比,兩個(gè)系數(shù)的校準(zhǔn)函數(shù)Q=exp(a+b/T)更適用于自校準(zhǔn)方法,而且兩種校準(zhǔn)方法用于溫度擾動(dòng)分析時(shí),分別得到的溫度擾動(dòng)的偏差小于0.015 K,因此,自校準(zhǔn)方法與氣球校準(zhǔn)方法一樣可用于大氣擾動(dòng)的分析。(5)本文基于自校準(zhǔn)方法獲得的5-80 km大氣溫度廓線,對(duì)不同大氣層段的溫度結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)特征進(jìn)行了分析。從近地面至中間層頂,大氣溫度的擾動(dòng)表現(xiàn)出波動(dòng)的性質(zhì)。隨高度升高其擾動(dòng)幅度按照～10 km的標(biāo)高指數(shù)增長(zhǎng),但是在一些高度(如39 km、52 km、64 km和73 km),溫度的擾動(dòng)始終表現(xiàn)為極小值("nodes")。通過比較不同高度段的溫度和擾動(dòng)特征,可以發(fā)現(xiàn)一些不同的波長(zhǎng)、振幅、相位等波動(dòng)信息,說明了大氣中的一些波源于低層大氣,而且在向上傳播的過程中,表現(xiàn)出不穩(wěn)定的特性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(武漢物理與數(shù)學(xué)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN958.98

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李亞娟;宋沙磊;李發(fā)泉;程學(xué)武;陳振威;劉林美;楊勇;龔順生;;基于純轉(zhuǎn)動(dòng)Raman激光雷達(dá)的中低空大氣溫度高精度探測(cè)[J];地球物理學(xué)報(bào);2015年07期

2 王威;毛飛躍;龔?fù)?李俊;;基于激光強(qiáng)度分布的激光雷達(dá)重疊因子計(jì)算及其敏感性分析[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2014年02期

3 林鑫;楊勇;程學(xué)武;關(guān)塞;王繼紅;李發(fā)泉;劉林美;宋沙磊;陳振威;李亞娟;;機(jī)械斬波在大氣探測(cè)激光雷達(dá)中的應(yīng)用[J];中國(guó)激光;2013年08期

4 俞侃;包佳祺;黃德修;尹娟娟;常進(jìn);;角度調(diào)諧濾光片準(zhǔn)直系統(tǒng)發(fā)散角抑制技術(shù)研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2011年02期

5 熊超超;謝麗萍;吳維;;大氣邊界層探測(cè)技術(shù)初步分析[J];氣象水文海洋儀器;2010年03期

6 蘇嘉;張寅超;胡順星;曹開法;趙培濤;汪少林;謝軍;;多條轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線雷達(dá)測(cè)量對(duì)流層大氣溫度[J];光譜學(xué)與光譜分析;2008年08期

7 汪少林;蘇嘉;趙培濤;曹開法;胡順星;魏合理;譚錕;胡歡陵;;基于三級(jí)Fabry-Perot標(biāo)準(zhǔn)具的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)[J];物理學(xué)報(bào);2008年06期

8 劉君;華燈鑫;李言;;大氣邊界層白天溫度測(cè)量用轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2007年05期

9 蘇嘉;張寅超;趙曰峰;劉玉麗;洪光烈;趙培濤;屈凱峰;謝軍;;雙光柵純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)單色儀的光學(xué)設(shè)計(jì)[J];中國(guó)激光;2007年01期

10 王衛(wèi)國(guó);袁敏;吳澗;樊雯璇;王顥樾;劉曉璐;;大氣對(duì)流層頂?shù)某粞鯐r(shí)空分布變化[J];云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2006年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 焦菁;基于熒光激光雷達(dá)探測(cè)的中高層大氣金屬層結(jié)構(gòu)及其機(jī)制研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心);2015年

2 方欣;鈉測(cè)溫測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的研制及重力波動(dòng)量通量的探測(cè)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

3 梁琨;基于布里淵激光雷達(dá)的大氣溫度測(cè)量系統(tǒng)研究[D];華中科技大學(xué);2008年

4 常啟海;武漢上空中層大氣的瑞利激光雷達(dá)觀測(cè)與研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）;2005年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 靳磊;激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演氣溶膠后向散射比研究[D];中國(guó)海洋大學(xué);2013年

2 解貞;拉曼散射激光雷達(dá)高精度探測(cè)大氣溫度研究[D];西安理工大學(xué);2009年

3 徐麗;鈉層測(cè)風(fēng)測(cè)溫激光雷達(dá)原理及數(shù)據(jù)處理方法研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）;2008年

4 程學(xué)武;雙波長(zhǎng)高空探測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)與鈉層熒光通道的白天觀測(cè)技術(shù)[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）;2006年

，

本文編號(hào)：1332898