基于Scheimpflug激光雷达技术的大气边界层高度探测

发布时间：2020-08-22 10:50

【摘要】：当前,随着科技的发展和工业化进程的加快,空气污染也越来越严重,大气环境治理已经成为当今世界的热点和难点,大气环境的治理离不开对大气边界层结构的研究。大气边界层与地面相互作用,且大气与地面之间发生能量与动量交换导致大气边界层高度的变化,边界层高度在几百米到1-2千米之间变化。大气边界层的高度决定了气溶胶或者是大气分子的扩散范围。因此,大气边界层高度不仅是大气边界层结构的一个重要特征,而且是气候模式和天气预报研究的一个很重要的参数。激光雷达探测手段的出现突破了传统探测手段在探测边界层结构技术上的难点,在大气边界层结构的探测中起到了重要的作用。本文首先分别介绍了气溶胶、大气边界层、大气边界层高度的概念以及激光雷达研究的背景和意义,接着介绍了国内外激光雷达反演大气边界层高度的现状,包括激光雷达不同种类的应用和大气边界层高度的计算方法。然后为了获得在大连地区的大气边界层高度的变化,利用SLidar技术的实验系统收集从气溶胶反射回来的激光雷达后向散射信号,介绍了大气边界层高度常用的几种反演算法包括梯度法、曲线拟合法、小波协方差法并分析了三种算法的反演性能。为了验证小波协方差法在SLidar系统上的可行性分别进行了两次实验测量,其中在2017年5月1日到5月2日的晴朗天气下采用了一套偏振激光雷达系统在大连理工大学进行实验探测,从探测的后向散射信号中利用小波协方差法获得了在测量期间的大气边界层高度值。为了进一步验证小波协方差法在SLidar系统上反演大气边界层高度的可行性,接着在2018年期间利用一套可携式低成本沙氏激光雷达系统开展了在2018年8月21日到8月28日近8天的连续测量实验。在此期间天气情况不再是单一的晴朗天气而是在大气中时而有云层出现,为了消除云层对反演边界层高度的影响,在对信号进行去云层处理的同时进行了基于小波协方差法的质量控制算法。通过云层处理和质量控制算法,成功的反演了大气边界层高度,并且得到的边层高度有很明显的日变化特征且与环境温度的日变化趋势一致。通过两次实验利用SLidar系统对大气边界层高度的成功反演表明了SLidar系统探测边界层气溶胶的有效性,体现了沙氏激光雷达系统在环境污染监测方面具有重要的意义。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958.98;P421.3;P412.25

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本文编号：2800599