基于Clidar系统的全天候PM2.5测量技术研究
发布时间：2021-06-17 20:46
本文针对基于CCD（Charge-coupled Device,电荷耦合器件）的全天候侧向散射激光雷达系统（全天候Clidar系统）测量大气PM2.5浓度机制作出了以下研究:（1）阐述了气溶胶的研究背景、光学法测量技术的特点及原理,并且研究了白天环境下运用激光雷达技术进行气溶胶测量的国内外研究进展。（2）介绍了激光雷达气溶胶测量技术的全天候应用,并对全天候Clidar系统的高斯光束特性及其与颗粒物作用的Mie散射理论进行研究。（3）通过设置不同浓度等级和CCD高、低增益作为实验参量,对四种不同的实验模式进行横向对比,基于此分析了高、低浓度下不同反演模型对PM2.5浓度测量的平均误差、标准误差和综合偏差率。实验结果证明,实际浓度低于30μg/m3时的回波信号测量应该使用S（0）反演模型,S（20）、S（40）、S（60）、S（80）的测量结果准确度依次递减,说明在低浓度等级下,CCD采集到的回波信号图中的干扰信息较少,随着反演模型i的增大,反而丢失了大量的气溶胶有效信息;实际浓度大于30μg/m3的回波信号测量应该使用S（20）反演模型。同时,不论高低浓度对应的反演模型,高增益的测量精度...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
依次为(a)重量法、(b)射线法的测量原理图
杭州电子科技大学硕士学位论文2现象，基于数字模型计算出测量颗粒物的粒径大小，再利用不同测量策略的相应算法，精确计算出PM2.5的浓度值。图1.2振荡天平法的测量原理图激光雷达按照信号源可分为传统激光雷达和现代激光雷达，前者的电磁波载体由微波和毫米波波段组成，后者主要以光频附近的电磁波作为载体[11]。当前，激光大气遥感领域的一个热点研究，就是激光雷达探测，测量方向主要是大气气溶胶和云。其自问世以来，就被运用于军事，海洋，大气探测等各种领域。为了使其能够广泛推广应用，雷达信号源必须具备高频率、强方向性和相关性等性质，这样研制出来的激光雷达便携、抗干扰、能量利用率高，可实现高精度测量[12]。基于CCD的侧向散射激光雷达系统克服了后向散射的缺点，实现了近距离范围内的气溶胶精确测量，在大气探测方面具有很好的优势[13-17]。在实际情况中，由于大气气溶胶的成分多且复杂，且光子在大气中传输时，环境杂光会夹杂在激光的侧向散射光子中，对测量结果造成偏差，因此，利用激光雷达技术测量PM2.5浓度的实验研究一般在晴朗夜空条件下进行，一方面是为了防止大量的环境杂光对实验结果产生较大的影响，另一方面也是为了防止空气的相对湿度对光散射产生较大的影响，便于控制实验过程中的环境变量。光源计算机接收器大气试样图1.3光散射测量法原理图当前，基于激光雷达散射法的测量技术的散射理论大部分是Mie散射。在各种环境因素保持恒定时，激光光子与PM2.5颗粒物发生Mie散射作用，产生包含气溶胶浓度信息的回波信号。Mie散射测量理论的基础是大气中的气溶胶成分不变，且各部分比例保持稳定，在此前提下使用所设计的激光雷达系统采集散射信号，对回波图像进行信息提取，计算出气溶胶质量浓度，由于PM2.5颗粒物在大
院透呖詹饩唷Ｒ园倜追段?诶状镄旁氡?:20的比例仿真白天日照条件下的后向散射系数，并绘制曲线图。通过后向散射系数、消光系数和气溶胶中液态水汽含量之间的直接关系，推算出大气中雾和云的通透性和质量负荷[18]。1996年，V.L.Schoening等人在激光雷达广泛应用的背景下提出了在高噪声的日光条件下进行探测的可能性，重点研究了白天背景光条件下的信噪比问题，将达到可接受信噪比所需的平均时间与传统单脉冲激光雷达系统相比，从理论上证明了激光雷达在白天实施测量的可行性，为后续进行装置搭建和实际测量指明方向[19]。图1.4微脉冲激光雷达2004年，G.G.Gimmestad[20]等人针对当时部署在美国和其他国家或地区数十个地点的用于气溶胶和云的无人值守激光雷达的特点，为了使微脉冲激光雷达（如图1.4）能够在白天运行，必须具有非常窄的视场和非常小的光学带通；为了使其符合眼睛的安全范围，雷达激光光源只能使用非常低的脉冲能量（大约10μJ）实现。10mJ量级的脉冲能量足以使日间操作变得容易且成本低廉，然后可以使用传统的双基地激光雷达配置，其视场约为毫弧度，从而消除了机械不稳定的问题，并且可以通过廉价的干涉滤光片来限制光学带通。此外，与可见光激光雷达中使用的盖革模式硅APD相比，使用1.5微米的InGaAs检测器对光学损伤的敏感度要低得多。
【参考文献】：
期刊论文
[1]OpenMP并行计算在侧向散射激光雷达数据处理中的应用[J]. 刘俊见,陶宗明. 计算机与数字工程. 2019(02)
[2]CCD激光雷达探测白天近地面气溶胶消光系数（英文）[J]. 孙培育,苑克娥,杨杰,胡顺星. 光子学报. 2018(03)
[3]基于侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量误差[J]. 陈松,胡淼,曾然,李齐良,周雪芳,蔡美伶,聂佳林,汪延安. 光学学报. 2017(12)
[4]光散射法与β射线衰减-光散射联用法颗粒物在线测量方法对比[J]. 王永敏,高健,徐仲均,宋英石,王淑兰,柴发合. 环境科学研究. 2017(03)
[5]广州市灰霾致肺癌的因果性分析[J]. 刘晓雪,胡三清. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2016(06)
[6]基于CCD侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量研究[J]. 胡淼,吴端法,李齐良,周雪芳,魏一振,毕美华,杨国伟,宋旸,李鹏. 光学学报. 2016(11)
[7]Mie散射激光雷达回波信号小波去噪方法[J]. 周智荣,华灯鑫,杨蓉,闫庆,陈浩,宋跃辉. 光子学报. 2016(07)
[8]重量法测定环境空气中PM2.5的不确定度[J]. 金辉,付强,吴晓凤,姚雅伟. 中国环境监测. 2014(06)
[9]中国PM2.5污染现状及其对人体健康的危害[J]. 王庚辰,王普才. 科技导报. 2014(26)
[10]激光雷达的应用及发展趋势[J]. 赵一鸣,李艳华,商雅楠,李静,于勇,李凉海. 遥测遥控. 2014(05)
博士论文
[1]CCD细分技术及其应用研究[D]. 杨博雄.中国地震局地球物理研究所 2005
硕士论文
[1]多波段拉曼激光雷达大气气溶胶光学参量的精细探测技术研究[D]. 张钰星.西安理工大学 2019
[2]杭州地区PM2.5的时空分布特征及影响因素研究[D]. 任欢欢.浙江农林大学 2018
[3]长三角背景区域大气气溶胶吸湿增长特性观测研究[D]. 张璐.中国气象科学研究院 2014
[4]大气气溶胶粒子散射对激光大气传输影响的研究[D]. 李丽芳.中北大学 2013
[5]实现白天测距的卫星激光测距系统及其信号的相关检测[D]. 李鑫.吉林大学 2007
本文编号：3235894
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
依次为(a)重量法、(b)射线法的测量原理图
杭州电子科技大学硕士学位论文2现象，基于数字模型计算出测量颗粒物的粒径大小，再利用不同测量策略的相应算法，精确计算出PM2.5的浓度值。图1.2振荡天平法的测量原理图激光雷达按照信号源可分为传统激光雷达和现代激光雷达，前者的电磁波载体由微波和毫米波波段组成，后者主要以光频附近的电磁波作为载体[11]。当前，激光大气遥感领域的一个热点研究，就是激光雷达探测，测量方向主要是大气气溶胶和云。其自问世以来，就被运用于军事，海洋，大气探测等各种领域。为了使其能够广泛推广应用，雷达信号源必须具备高频率、强方向性和相关性等性质，这样研制出来的激光雷达便携、抗干扰、能量利用率高，可实现高精度测量[12]。基于CCD的侧向散射激光雷达系统克服了后向散射的缺点，实现了近距离范围内的气溶胶精确测量，在大气探测方面具有很好的优势[13-17]。在实际情况中，由于大气气溶胶的成分多且复杂，且光子在大气中传输时，环境杂光会夹杂在激光的侧向散射光子中，对测量结果造成偏差，因此，利用激光雷达技术测量PM2.5浓度的实验研究一般在晴朗夜空条件下进行，一方面是为了防止大量的环境杂光对实验结果产生较大的影响，另一方面也是为了防止空气的相对湿度对光散射产生较大的影响，便于控制实验过程中的环境变量。光源计算机接收器大气试样图1.3光散射测量法原理图当前，基于激光雷达散射法的测量技术的散射理论大部分是Mie散射。在各种环境因素保持恒定时，激光光子与PM2.5颗粒物发生Mie散射作用，产生包含气溶胶浓度信息的回波信号。Mie散射测量理论的基础是大气中的气溶胶成分不变，且各部分比例保持稳定，在此前提下使用所设计的激光雷达系统采集散射信号，对回波图像进行信息提取，计算出气溶胶质量浓度，由于PM2.5颗粒物在大
院透呖詹饩唷Ｒ园倜追段?诶状镄旁氡?:20的比例仿真白天日照条件下的后向散射系数，并绘制曲线图。通过后向散射系数、消光系数和气溶胶中液态水汽含量之间的直接关系，推算出大气中雾和云的通透性和质量负荷[18]。1996年，V.L.Schoening等人在激光雷达广泛应用的背景下提出了在高噪声的日光条件下进行探测的可能性，重点研究了白天背景光条件下的信噪比问题，将达到可接受信噪比所需的平均时间与传统单脉冲激光雷达系统相比，从理论上证明了激光雷达在白天实施测量的可行性，为后续进行装置搭建和实际测量指明方向[19]。图1.4微脉冲激光雷达2004年，G.G.Gimmestad[20]等人针对当时部署在美国和其他国家或地区数十个地点的用于气溶胶和云的无人值守激光雷达的特点，为了使微脉冲激光雷达（如图1.4）能够在白天运行，必须具有非常窄的视场和非常小的光学带通；为了使其符合眼睛的安全范围，雷达激光光源只能使用非常低的脉冲能量（大约10μJ）实现。10mJ量级的脉冲能量足以使日间操作变得容易且成本低廉，然后可以使用传统的双基地激光雷达配置，其视场约为毫弧度，从而消除了机械不稳定的问题，并且可以通过廉价的干涉滤光片来限制光学带通。此外，与可见光激光雷达中使用的盖革模式硅APD相比，使用1.5微米的InGaAs检测器对光学损伤的敏感度要低得多。
【参考文献】：
期刊论文
[1]OpenMP并行计算在侧向散射激光雷达数据处理中的应用[J]. 刘俊见,陶宗明. 计算机与数字工程. 2019(02)
[2]CCD激光雷达探测白天近地面气溶胶消光系数（英文）[J]. 孙培育,苑克娥,杨杰,胡顺星. 光子学报. 2018(03)
[3]基于侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量误差[J]. 陈松,胡淼,曾然,李齐良,周雪芳,蔡美伶,聂佳林,汪延安. 光学学报. 2017(12)
[4]光散射法与β射线衰减-光散射联用法颗粒物在线测量方法对比[J]. 王永敏,高健,徐仲均,宋英石,王淑兰,柴发合. 环境科学研究. 2017(03)
[5]广州市灰霾致肺癌的因果性分析[J]. 刘晓雪,胡三清. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2016(06)
[6]基于CCD侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量研究[J]. 胡淼,吴端法,李齐良,周雪芳,魏一振,毕美华,杨国伟,宋旸,李鹏. 光学学报. 2016(11)
[7]Mie散射激光雷达回波信号小波去噪方法[J]. 周智荣,华灯鑫,杨蓉,闫庆,陈浩,宋跃辉. 光子学报. 2016(07)
[8]重量法测定环境空气中PM2.5的不确定度[J]. 金辉,付强,吴晓凤,姚雅伟. 中国环境监测. 2014(06)
[9]中国PM2.5污染现状及其对人体健康的危害[J]. 王庚辰,王普才. 科技导报. 2014(26)
[10]激光雷达的应用及发展趋势[J]. 赵一鸣,李艳华,商雅楠,李静,于勇,李凉海. 遥测遥控. 2014(05)
博士论文
[1]CCD细分技术及其应用研究[D]. 杨博雄.中国地震局地球物理研究所 2005
硕士论文
[1]多波段拉曼激光雷达大气气溶胶光学参量的精细探测技术研究[D]. 张钰星.西安理工大学 2019
[2]杭州地区PM2.5的时空分布特征及影响因素研究[D]. 任欢欢.浙江农林大学 2018
[3]长三角背景区域大气气溶胶吸湿增长特性观测研究[D]. 张璐.中国气象科学研究院 2014
[4]大气气溶胶粒子散射对激光大气传输影响的研究[D]. 李丽芳.中北大学 2013
[5]实现白天测距的卫星激光测距系统及其信号的相关检测[D]. 李鑫.吉林大学 2007
本文编号：3235894
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