激光散射信号与大气颗粒测量技术研究

发布时间：2017-05-05 15:02

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【摘要】：本文针对激光雷达与大气颗粒物浓度作出了以下研究:(1)对课题的研究背景做了简单的介绍,重点讲述了激光雷达的分类,特点,以及激光雷达测量PM2.5的优势和国内外激光雷达探测大气气溶胶的研究现状。(2)主要介绍了高斯光束的特点以及在真空中的传输特性,讲述了大气的组成成分,以及大气气溶胶与光子的相互作用,重点讲述了米散射特性,简单讲解了蒙特卡洛模型。(3)根据米散射理论和激光传播方程,建立PM2.5颗粒物浓度与后向散射光强的关系模型,并提出了基于电荷耦合器件(CCD)后向散射激光雷达的实时PM2.5颗粒物浓度的监测方法。设计了以532 nm激光器为光源、CCD为接收器的后向散射激光雷达实验装置。根据获得的实时大气颗粒物后向散射图像,提取灰度值矩阵并分析了散射图像的光强分布;对比赛默飞世尔科技公司的PM2.5监测仪(SHARP)的实验结果,拟合了PM2.5颗粒物浓度与散射光强的5个关系式,拟合度均在0.95以上。这种成本较低、操作便利的实时PM2.5颗粒物浓度监测装置的推广,有助于建立PM2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图,具有重要意义。(4)主要介绍了一种新的方法——噪声平均化法,即获取N幅同一时间段的图片的灰度值矩阵,然后对N个矩阵做加法,最后对N个矩阵的和求平均,求出灰度值矩阵的平均值。通过实验以及对实验图片进行处理,噪声平均化法获得良好的实验结果。并且随着N的增大,噪声的消除效果越明显。利用噪声平均化法处理的实验图片,提取了处理后的图片的灰度值矩阵,利用该矩阵,得出了CCD成像仪接收到的33度到145度范围散射角的激光信号散射光强。通过CCD成像仪接收散射光强与激光传输光强的关系式,反演出了下沙区的大气颗粒物的散射系数,得到了大气颗粒物散射角与散射系数的关系曲线。(5)建立了光子多次散射的蒙特卡洛模型,取非对称因子g分别为0、0.2、0.5、0.8、0.95时对蒙特卡洛的Mie散射模型进行仿真,得到多幅进入了光子检测器的光子数随着散射角的变化的分布图,仿真结果与非对称因子十分吻合。并且在g取0时,取L分别为300 cm、400 cm、500 cm、600 cm,光子检测器在x轴坐标分别为150 cm、200 cm、250 cm、300 cm,d的值分别为30 cm、40 cm、50 cm、60 cm,其它参数均不改变,对上述参数的蒙特卡洛模型进行仿真,仿真结果为多幅进入了光子检测器的光子数随着散射角的变化的分布图,得出了光子检测器越靠近激光光束,则进入光子检测器的光子数成比例增加的结论。
【关键词】：PM2.5 激光雷达 米散射 蒙特卡洛
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X87;TN958.98
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 研究背景10-11
• 1.1.1 选题背景10
• 1.1.2 测量PM2.5 方法10-11
• 1.2 激光雷达的分类及特点11-12
• 1.2.1 激光雷达分类11
• 1.2.2 激光雷达的特点11-12
• 1.3 激光雷达的国内外研究现状12-14
• 1.3.1 激光雷达的国外研究现状12-13
• 1.3.2 激光雷达的国内研究状况13-14
• 1.4 本文的主要研究工作及结构14-15
• 第2章 高斯激光大气传输理论15-23
• 2.1 高斯光束的特性15-16
• 2.1.1 高斯光束的介绍15
• 2.1.2 高斯光束的特性15-16
• 2.2 大气主要组成成份16
• 2.3 激光在大气中的传输特性16-18
• 2.3.1 激光与大气的相互作用16-17
• 2.3.2 大气对激光的吸收特性17-18
• 2.4 激光与大气的相互作用18-19
• 2.4.1 瑞利散射18
• 2.4.2 米（Mie）散射18-19
• 2.4.3 拉曼散射19
• 2.5 单个粒子对激光的米散射特性19-21
• 2.6 蒙特卡洛仿真模型21-22
• 2.7 本章小结22-23
• 第3章 基于CCD后向散射激光信号的PM2.5 浓度测量23-30
• 3.1 引言23
• 3.2 测量原理和装置23-26
• 3.3 实验结果分析26-29
• 3.4 结论29
• 3.5 本章小结29-30
• 第4章 大气气溶胶总体散射系数的研究30-38
• 4.1 引言30
• 4.2 测量装置和原理30-31
• 4.3 实验与结果分析31-37
• 4.4 本章小结37-38
• 第5章 蒙特卡洛散射模型的仿真研究38-48
• 5.1 引言38
• 5.2 蒙特卡洛散射模型建立38-39
• 5.3 蒙特卡洛散射模型仿真与分析39-46
• 5.4 本章小结46-48
• 第6章 总结与展望48-50
• 6.1 总结48-49
• 6.2 展望49-50
• 致谢50-51
• 参考文献51-55
• 附录55

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