边界层温湿度廓线激光雷达探测技术研究

发布时间：2020-09-02 10:42

　　温湿度在大气很多化学和物理过程中起到重要的作用,也是非常重要的气象参数。为实现边界层附近温湿度廓线探测,研制了一套基于高线分辨率分光光学系统的温湿度廓线激光雷达系统,并对纯转动拉曼探测信号进行校正,实现边界层温湿度廓线探测的目的。主要的研究内容包括以下几个方面:(1)研制了适用于边界层高度的温湿度廓线激光雷达系统。利用氮气和氧气纯转动拉曼信号反演温度廓线,利用氮气和水汽振动拉曼信号反演湿度廓线,系统同时探测532nm波长的瑞利-米散射信号。(2)完成了基于双光纤双视场的低盲区设计。本文给出了边界层温湿度廓线激光雷达主要组成部分的设计和考虑,为了满足边界层低盲区探测的需求,提出了双光纤的双视场光学系统设计,盲区可以压制到60米范围,达到了低盲区探测的目的。(3)研制了高线分辨率的测温分光光学系统。纯转动测温拉曼需要达到0.1nm每毫米的线分辨率,本文采用双光栅设计应用非球面镜来和长焦距聚焦镜来实现边缘成像球差的校正,达到对连续光谱提取的目的,实现了整个系统的高线分辨能力探测目的。(4)研制了高精度的水汽分光光学系统。本文采用高刻线密度数的光栅进行分光,振动拉曼光谱的分辨率最高可以达到0.66nm;研制了多通道多波段调试光源,并利用它完成了分光光学系统的装调;完成了边界层温湿度廓线激光雷达收发光学系统同轴度调节方法,并验证了系统设计方案的合理性。(5)研究了温湿度反演算法和标定方法。定量测量了测温分光光学系统各个通道的对瑞利-米散射信号抑制比,研究了从纯转动拉曼信号中剔除残余米散射干扰的方法,对温湿度廓线进行了标校,给出了测量结果的误差分析。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN958.98
【部分图文】：

大气层结,对流层

绍大气的垂直分层特性和边界层大气温、湿度研究意义。逡逑１．邋１．邋１大气垂直分层特性逡逑大气层一般可分为：对流层、平流层、中间层、热层和逃逸层＇如图１．邋１。逡逑ｆＳＳ邋＇＇邋；？；＾Ｂ逡逑图１．１大气层结构逡逑（１）对流层（Ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅ）逡逑该层大气是对流层大气热能的主要来源，紧贴地面。大气层的温度随高度的逡逑升高而下降，符合绝热变化规律，平均温度递减率约为６．５°邋Ｃ／ｋｍ［３］，空气上下逡逑对流活动较强，是大气中最活跃的一层，天气现象和过程大部分发生在这层。地逡逑面两三公里之内常又被人们称为边界层，该层受地表状况影响比较复杂而且大气逡逑活动比较活跃，天气现象和过程主要在这层产生，也是气溶胶、水汽和多种污染逡逑物成分等物质的活动边界。边界层顶至对流层顶的大气具有对流层的一般特征，逡逑被称为自由对流层，那里的空气相对比较干净，在探测其它参量时不会受到气溶逡逑胶的干扰。对流层顶在中纬度地区平均位于ｌ0＿１２ｋｍ附近

平流层温度,近三十年,平流层,平均温度

大气边界层结构,高压区,陆地,大气边界层

第１章逡逑地大气边界层有着轮廓分明和循环变化的规律，如图１．邋３所以分为ｈｎｌ：混合层（ＭＬ，邋Ｍｉｘｅｄ邋Ｌａｙｅｒ邋或邋ＣＢＬ，Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ残留层（ＲＬ，Ｒｅｓｉｄｕａｌ邋Ｌａｙｅｒ）和稳定边界层（ＳＢＬ，ＳｔａｂｌｅＮＢＬ，Ｎｏｃｔｕｒｎａｌ邋Ｂｏｕｎｄａｒｙ邋Ｌａｙｅｒ）。若有云存在时，混合为云层和云下层。由于近地大气边界层底部的湍流通量和应量级小１０％，所以底部１０％无论是混合层还是稳定层都称为近２「逡逑

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