基于HITRAN数据库的大气激光雷达信号仿真系统研究
发布时间：2020-12-23 17:45
大气激光雷达可以测量气溶胶和云的光学参数、水汽混合比、二氧化碳混合比、二氧化氮混合比、臭氧混合比、钠原子密度数、钾原子密度数、铁原子密度数、钙原子密度数、大气分子密度、温度、分场等,在大气环境监测、气象环境预报和保障、大气科学研究、空间物理科学等领域发挥着重要作用。在大气激光雷达设计阶段需要利用仿真计算论证探测原理的可行性,配置合理的大气激光雷达参数,为大气激光雷达的研制提供参考依据。大气激光雷达研制完成之后,仍然需要计算一些难以测量的参数。因此,本文设计了一套基于HITRAN数据库的大气激光雷达信号仿真系统,该仿真系统的实现包括以下两部分:（1）基于大气激光雷达方程建立信号仿真模型。该仿真模型结合大气分层模式模拟激光在传输过程中大气分子和气溶胶对激光造成的衰减。HITRAN数据库中包含了大气分子的吸收谱线,仿真模型利用这些谱线参数计算大气分子高精度的吸收光谱;仿真模型利用瑞利散射计算了大气分子对激光的散射系数;大气辐射传输模型Lowtran7模拟了气溶胶对不同波长激光的衰减,因此该仿真模型结合了 Lowtran7中的气溶胶模式结构。此外,该仿真模型能够分析激光雷达系统中的几何因子、干...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１激光雷达系统的基本组成??
每立方厘米下从几十个到几千个不等，而巨核和大核通常在每立方厘米下少于１??个。它们的形状可能是球形的，也可能是非球形的。??气溶胶粒子的浓度随高度的分布具有较大的差异性，图２．３是ＥｌｔｅｍｉａｎＰｌ测??得到气溶胶粒子数密度随高度的分布图。??从图２．３可以看出在从地面到５ｋｍ高度范围内，气溶胶粒子的数密度衰减较??快；在５ｋｍ－２０ｋｍ的高度范围内，气溶胶粒子的数密度变化较小；而在２０ｋｍ以??上的高度，气溶胶粒子数密度快速的减少，基本上可以忽略不计。??气溶胶粒子对激光的辐射衰减不仅取决于气溶胶粒子的浓度和形状，还取??决于粒子的尺寸分布。气溶胶粒子的尺寸分布是在粒子数密度一定的情况下，不??同尺寸的气溶胶粒子的分布。在假设所有的气溶胶粒子的形状为均匀球体的条??件下，气溶胶粒子对激光的衰减可以用米散射理论进行计算。式２．７给出了米散??射理论计算中关键的参数？］：??７?２ｎｒ??ｘ?—?ｋｒ?＝?――?（２．７）??Ａ??其中，「是散射球体的半径，Ａ是波数，＾是可见光的波长。无量纲的尺寸??９??
Ｑｅｘｔ?＝?４?（２－９）??ｎｒ１??如图２．４所示，在给定／ｌ?＝丨０．６／／／？，《?＝?１．２９?＋?Ｚ０．０５的条件下，我们利用米??散射理论ｍｉ计算了粒子有效消光截面，和有效散射截面与粒子尺寸参??数ｊｃ之间的关系。对于有效吸收截面，我们可以利用式??计算得出。??从图２．４可以看出，在０－７／ｙ／？区间内，气溶胶粒子对激光的有效消光和散射??随粒子尺寸而增加；在７－１３；／／？区间内，气溶胶粒子对激光的有效消光和散射随??粒子尺寸而减小；而在１３／＾ｍ以后，气溶胶粒子的尺寸对激光的衰减变化不大。??而从整个的尺寸范围来看，气溶胶粒子的有效消光截面和吸收截面还是随粒子??的尺寸不同而存在着较大的差异。因此，研宄气溶胶粒子的尺寸分布对我们研宄??气溶胶对激光的衰减是必不可少的一部分。下面我们介绍气溶胶粒子几种常见??的尺寸分布：??１．?Ｄｅｉｒｍｅｎｄｊｉａｎ分布（修正的伽马分布）??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种利用HITRAN数据计算气体辐射特性的方法[J]. 许宏,王锴. 光电技术应用. 2018(02)
[2]MODTRAN5分子吸收模式的计算精度数值评估[J]. 马力,戴聪明,唐超礼,苗锡奎,魏合理. 大气与环境光学学报. 2017(05)
[3]基于大气分层的激光测风雷达回波模型[J]. 曹爽,张鲁殷,石洪峰,周林林,丁祥. 大学物理实验. 2017(01)
[4]大气探测激光雷达噪声比例因子及信噪比的估算[J]. 邓潘,张天舒,陈卫,刘建国,刘洋. 红外与激光工程. 2016(S1)
[5]多波长水汽探测激光雷达回波仿真及误差分析[J]. 李婷,陈思颖,张寅超,郭磐,陈和,高龙. 中国激光. 2015(02)
[6]全天时多波长激光雷达系统研制与信噪比分析[J]. 赵虎,华灯鑫,狄慧鸽,侯晓龙,阎蕾洁,毛建东. 中国激光. 2015(01)
[7]光强闪烁激光雷达的背景噪声分析[J]. 崔朝龙,黄宏华,陶宗明,饶瑞中. 量子电子学报. 2013(05)
[8]瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算[J]. 江榕宏,何兴道,吴涛,丁文超,冯静. 大气与环境光学学报. 2013(04)
[9]不同版本HITRAN数据库对高层大气辐射传输影响特性分析[J]. 戴聪明,魏合理,胡顺星. 光学学报. 2013(05)
[10]拉曼激光雷达探测低对流层大气二氧化碳分布[J]. 于海利,胡顺星,吴晓庆,曹开法,孟祥谦,苑克娥,黄见,邵石生,徐之海. 光学学报. 2012(08)
博士论文
[1]532nm瑞利多普勒激光雷达若干关键技术和大气重力波观测研究[D]. 郭文杰.中国科学院国家空间科学中心 2016
[2]烟气排放紫外差分吸收光谱实时监测方法的研究[D]. 周涛.天津大学 2009
硕士论文
[1]星载大气探测激光雷达回波信号模拟研究[D]. 姚莉琳.电子科技大学 2018
[2]大气气溶胶散射、吸收特性及光的传输特性研究[D]. 贺雅奇.西安石油大学 2014
[3]激光测风雷达回波信号的研究[D]. 王龙华.哈尔滨工业大学 2010
[4]大气传输特性对激光探测性能影响研究[D]. 马春林.西安电子科技大学 2008
[5]激光在近地大气中水平传输特性研究[D]. 任小红.西安电子科技大学 2007
本文编号：2934096
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１激光雷达系统的基本组成??
每立方厘米下从几十个到几千个不等，而巨核和大核通常在每立方厘米下少于１??个。它们的形状可能是球形的，也可能是非球形的。??气溶胶粒子的浓度随高度的分布具有较大的差异性，图２．３是ＥｌｔｅｍｉａｎＰｌ测??得到气溶胶粒子数密度随高度的分布图。??从图２．３可以看出在从地面到５ｋｍ高度范围内，气溶胶粒子的数密度衰减较??快；在５ｋｍ－２０ｋｍ的高度范围内，气溶胶粒子的数密度变化较小；而在２０ｋｍ以??上的高度，气溶胶粒子数密度快速的减少，基本上可以忽略不计。??气溶胶粒子对激光的辐射衰减不仅取决于气溶胶粒子的浓度和形状，还取??决于粒子的尺寸分布。气溶胶粒子的尺寸分布是在粒子数密度一定的情况下，不??同尺寸的气溶胶粒子的分布。在假设所有的气溶胶粒子的形状为均匀球体的条??件下，气溶胶粒子对激光的衰减可以用米散射理论进行计算。式２．７给出了米散??射理论计算中关键的参数？］：??７?２ｎｒ??ｘ?—?ｋｒ?＝?――?（２．７）??Ａ??其中，「是散射球体的半径，Ａ是波数，＾是可见光的波长。无量纲的尺寸??９??
Ｑｅｘｔ?＝?４?（２－９）??ｎｒ１??如图２．４所示，在给定／ｌ?＝丨０．６／／／？，《?＝?１．２９?＋?Ｚ０．０５的条件下，我们利用米??散射理论ｍｉ计算了粒子有效消光截面，和有效散射截面与粒子尺寸参??数ｊｃ之间的关系。对于有效吸收截面，我们可以利用式??计算得出。??从图２．４可以看出，在０－７／ｙ／？区间内，气溶胶粒子对激光的有效消光和散射??随粒子尺寸而增加；在７－１３；／／？区间内，气溶胶粒子对激光的有效消光和散射随??粒子尺寸而减小；而在１３／＾ｍ以后，气溶胶粒子的尺寸对激光的衰减变化不大。??而从整个的尺寸范围来看，气溶胶粒子的有效消光截面和吸收截面还是随粒子??的尺寸不同而存在着较大的差异。因此，研宄气溶胶粒子的尺寸分布对我们研宄??气溶胶对激光的衰减是必不可少的一部分。下面我们介绍气溶胶粒子几种常见??的尺寸分布：??１．?Ｄｅｉｒｍｅｎｄｊｉａｎ分布（修正的伽马分布）??１０??
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种利用HITRAN数据计算气体辐射特性的方法[J]. 许宏,王锴. 光电技术应用. 2018(02)
[2]MODTRAN5分子吸收模式的计算精度数值评估[J]. 马力,戴聪明,唐超礼,苗锡奎,魏合理. 大气与环境光学学报. 2017(05)
[3]基于大气分层的激光测风雷达回波模型[J]. 曹爽,张鲁殷,石洪峰,周林林,丁祥. 大学物理实验. 2017(01)
[4]大气探测激光雷达噪声比例因子及信噪比的估算[J]. 邓潘,张天舒,陈卫,刘建国,刘洋. 红外与激光工程. 2016(S1)
[5]多波长水汽探测激光雷达回波仿真及误差分析[J]. 李婷,陈思颖,张寅超,郭磐,陈和,高龙. 中国激光. 2015(02)
[6]全天时多波长激光雷达系统研制与信噪比分析[J]. 赵虎,华灯鑫,狄慧鸽,侯晓龙,阎蕾洁,毛建东. 中国激光. 2015(01)
[7]光强闪烁激光雷达的背景噪声分析[J]. 崔朝龙,黄宏华,陶宗明,饶瑞中. 量子电子学报. 2013(05)
[8]瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算[J]. 江榕宏,何兴道,吴涛,丁文超,冯静. 大气与环境光学学报. 2013(04)
[9]不同版本HITRAN数据库对高层大气辐射传输影响特性分析[J]. 戴聪明,魏合理,胡顺星. 光学学报. 2013(05)
[10]拉曼激光雷达探测低对流层大气二氧化碳分布[J]. 于海利,胡顺星,吴晓庆,曹开法,孟祥谦,苑克娥,黄见,邵石生,徐之海. 光学学报. 2012(08)
博士论文
[1]532nm瑞利多普勒激光雷达若干关键技术和大气重力波观测研究[D]. 郭文杰.中国科学院国家空间科学中心 2016
[2]烟气排放紫外差分吸收光谱实时监测方法的研究[D]. 周涛.天津大学 2009
硕士论文
[1]星载大气探测激光雷达回波信号模拟研究[D]. 姚莉琳.电子科技大学 2018
[2]大气气溶胶散射、吸收特性及光的传输特性研究[D]. 贺雅奇.西安石油大学 2014
[3]激光测风雷达回波信号的研究[D]. 王龙华.哈尔滨工业大学 2010
[4]大气传输特性对激光探测性能影响研究[D]. 马春林.西安电子科技大学 2008
[5]激光在近地大气中水平传输特性研究[D]. 任小红.西安电子科技大学 2007
本文编号：2934096
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