基于760nm波段激光雷达探测大气压强的方法研究

发布时间：2020-05-23 00:14

【摘要】：大气压强,是指单位面积上从观测高度直至大气上界整个空气柱的重量,是气象学中极其重要的一个物理量,它的分布和变化与大气运动和天气状况有密切关系,基本上所有大气模型都需要用到压强参数。在全球数值天气预报和气候变化研究等相关气象领域的应用中,需要高精度的大气压强数据,国际气象组织提出为了满足全球数值天气预报的要求,全球地表大气压强测量的不确定度(1σ精度)小于,水平分辨率不大于。激光雷达技术是可用于全球范围内开展大气压强遥感探测的技术,能有效地获取高时空分辨率的气象数据,可搭载于机载或星载平台用来探测大气压强。本论文利用激光雷达技术开展了大气压强探测的研究工作,具有较好的科学探索性和应用前景。氧气在干空气中的体积比固定为20.95%,且在氧气的A吸收带内,氧气是大气中的唯一吸收气体,所以氧气A吸收带的吸收特征可以被应用于压强探测中。论文首先建立了氧气A吸收带吸收谱线的计算模型,并分析了谱线的温度压强敏感特性。由于探测对象为大气压强,所以激光雷达的探测波长选择在吸收谱线对温度不敏感的区间内。然后提出了利用星载积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达探测地表压强的反演算法,该方法通过经验数据建立差分吸收光学厚度与对应的大气压强关系,利用激光雷达探测到的差分吸收光学厚度数据,通过查表方式反演出大气压强。通过建立星载激光雷达的仿真模型和大气温湿压仿真模型,评估了各项雷达参数对探测性能的影响和算法自身引入的误差。通过计算不同探测波长下雷达探测地表压强的误差大小选出合适的探测波长对。在选择该探测波长的情况下,得出最终激光雷达探测的误差在我们的要求之内。为了验证激光雷达探测大气压强的可行性,建立了地基激光雷达系统的仿真,比较不同波长的探测性能得出地基激光雷达探测大气压强的合适波长对。在此基础上,本文设计了一套基于脉冲激光器的地基差分吸收激光雷达系统,对系统各部分工作原理做了阐述并分析其性能参数。着重介绍了系统发射机的设计和接收光路的调校。最终完成对地基激光雷达系统的搭建、调试和实验。最后对实验数据做了处理,由于系统接收到的是大气散射回波,其信噪比不高,需要通过时间累积来提高信噪比。论文比较了3种累积平均方法,选择性能最好的作为数据处理手段。然后通过建立的压强反演算法得到了上海地区特定高度的高精度高时间分辨率压强数据,在时间分辨率5min,高度2000m处的压强探测的随机误差小于。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958.98;P412.25;P424

【参考文献】