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

发布时间:2018-06-23 21:18

  本文选题:多普勒 + 激光雷达 ; 参考:《中国科学院国家空间科学中心》2016年博士论文


【摘要】:532nm瑞利多普勒激光雷达是探测30-70km高度范围内大气密度、温度和风场的重要手段。发展532nm瑞利多普勒激光雷达技术对大气动力学研究以及保障飞行器安全具有重要意义。本文从测量原理出发,对532nm多普勒激光雷达系统中的若干关键技术进行了分析研究,并利用激光雷达数据分析了北京地区的大气重力波特性。碘分子吸收光谱仪是532nm瑞利多普勒激光雷达系统的关键器件。本文测量了不同温度下的碘分子吸收光谱曲线,分析了碘分子吸收光谱仪的温控精度对激光频率稳定以及风速测量结果的影响。开展了532nm激光频率稳定技术研究,解决了频率稳定过程中激光腔中的PTZ电压调谐和激光晶体温度调谐的协调控制问题,并研制了基于碘分子吸收光谱仪的长时间激光频率稳定系统。建立了脉冲激光注入状态监测装置,该装置基于碘分子吸收光谱仪,能够对脉冲激光的注入状态和中心频率进行监测。完成了激光雷达光束自动瞄准装置的研制,提高接收信号的信噪比,避免因激光光束与接收望远镜视场的偏差造成的测量误差。本文给出了532nm瑞利多普勒激光雷达的温度以及风速的测量结果,并与TIMED/SABER的温度数据、探空气球和MERRA的纬向风数据进行了对比,对比结果有较高的一致性,证明了该激光雷达温度以及风速探测的可靠性。利用瑞利激光雷达的探测数据分析了发生在北京上空上平流层区域的一列准单色重力波,并结合美国国家环境预报中心(NCEP)的全球预报系统(GFS)的风场数据分析了该地形重力波的基本参数。通过对瑞利激光雷达观测数据研究,分析了北京地区温度以及重力波活动的季节变化特性。
[Abstract]:532nm Rayleigh Doppler lidar is an important means of detecting atmospheric density, temperature and wind field in the range of 30-70km altitude. The development of 532nm Rayleigh Doppler lidar technology is of great significance to the study of atmospheric dynamics and the safety of aircraft. Based on the principle of measurement, some key technologies in 532nm Doppler lidar system are analyzed, and the characteristics of atmospheric gravity waves in Beijing area are analyzed by using lidar data. Iodine absorption spectrometer is the key device of 532nm Rayleigh Doppler lidar system. In this paper, the absorption spectra of iodine molecules at different temperatures are measured, and the influence of the temperature control precision of the iodine absorption spectrometer on the stability of laser frequency and the results of wind speed measurement are analyzed. The study of 532nm laser frequency stabilization technology is carried out, which solves the problem of the coordinated control of the voltage tuning and the temperature tuning of the laser crystal in the laser cavity during the frequency stabilization process. A long time laser frequency stabilization system based on iodine absorption spectrometer has been developed. A state monitoring device for pulsed laser injection is established. The device is based on iodine absorption spectrometer and can monitor the injection state and central frequency of pulsed laser. A laser radar beam automatic aiming device is developed to improve the signal-to-noise ratio of the received signal and to avoid the measurement error caused by the deviation between the laser beam and the field of view of the receiving telescope. In this paper, the temperature and wind speed of 532nm Rayleigh Doppler lidar are measured and compared with the temperature data of TIMED-SABER, sounding balloon and merra's zonal wind data. The results are in good agreement. The reliability of the temperature and wind speed detection of the lidar is proved. Using the Rayleigh lidar data, a series of quasi-monochromatic gravity waves occurred in the stratospheric region over Beijing were analyzed. Combined with the wind field data of the Global forecasting system (GFS) of the National Center for Environmental Prediction (NCEP), the basic parameters of the gravity wave are analyzed. Based on the Rayleigh lidar observation data, the seasonal variation characteristics of temperature and gravity wave activity in Beijing are analyzed.
【学位授予单位】:中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P412.25

【参考文献】

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本文编号:2058470

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