大气二氧化碳探测差分吸收激光雷达技术研究

发布时间：2017-10-25 09:27

  本文关键词：大气二氧化碳探测差分吸收激光雷达技术研究

  更多相关文章： 差分吸收激光雷达 偏频锁定 大气成分检测 系统随机误差标定

【摘要】：自进入工业化社会以来,由于人类广泛使用化石燃料以满足日益增长的工业化活动,大气中以二氧化碳为代表的温室气体急剧上升,随之产生的温室效应也愈发明显。研究二氧化碳气体的源汇变化对了解温室效应有重要意义。差分吸收激光雷达作为一种监测大气二氧化碳浓度的有效手段,具有精度高,可全天候工作等优点,其应用得到了越来越多的国家关注。因此对差分吸收激光雷达系统的相关技术问题展开研究,对以后研制我国自主的探测设备具有重要意义。本文首先研究了差分吸收激光雷达的基本原理,深入分析了波长漂移及水汽干扰对系统绝对误差带来的影响,并利用随机误差传递理论计算出系统随机误差与信噪比之间的关系。在理论分析的基础上搭建了实验系统,并对其精度进行了标定。获得了上海地区连续多天的二氧化碳浓度观测数据,数据表明差分吸收激光雷达的测量结果与点探测器没有明显的一致性,在大气环境稳定的情况下,两者具有比较吻合的趋势,但在复杂天气下,点探测器的抖动明显变大。本文创新点主要体现在以下几个方面:1)提出了一种基于时间测量法的偏频锁定技术,利用共焦腔法布里-珀罗干涉仪,实现了对OFF激光器的偏频锁定,频率锁定精度优于0.1MHz;2)提出了基于激光器扫频的系统定标方法,系统可以在正常工作状态下随时完成标定过程,并且一次标定就能获得系统随机误差和零点的数据,测量结果表明本系统的系统随机误差优于0.525%。3)获得了上海市虹口区上空连续多天的二氧化碳浓度监测数据,特别是获得了复杂气候条件下二氧化碳的浓度变化,为二氧化碳变化规律提供了宝贵的实验数据。本系统为国内首台可以全天候连续工作的测量大气二氧化碳浓度的差分吸收激光雷达系统,并较为详细的分析了系统搭建所涉及的波长选择、频率稳定、定标等关键问题,对国内开展相关工作具有一定参考价值。
【关键词】：差分吸收激光雷达 偏频锁定 大气成分检测 系统随机误差标定
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN958.98
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-27
• 1.1 研究背景及意义9-13
• 1.2 二氧化碳观测历史13-16
• 1.3 二氧化碳遥感技术研究现状16-25
• 1.3.1 被动遥感技术研究现状16-19
• 1.3.2 主动遥感技术研究现状19-25
• 1.3.3 国内监测二氧化碳研究现状25
• 1.4 论文研究内容和论文安排25-27
• 2 差分吸收激光雷达方程和误差分析27-41
• 2.1 激光与大气的相互作用27-29
• 2.2 差分吸收激光雷达方程29-31
• 2.3 回波信号信噪比与系统随机误差的关系31-33
• 2.4 系统波长选择与波长漂移带来的误差分析33-39
• 2.4.1 系统波长选择33-37
• 2.4.2 波长漂移带来的误差分析37-39
• 2.5 水汽吸收带来的影响39
• 2.6 本章小结39-41
• 3 大气二氧化碳探测差分吸收激光雷达系统设计41-83
• 3.1 系统工作体制41-42
• 3.2 种子激光光源驱动设计42-54
• 3.2.1 激光器电流源设计44-48
• 3.2.2 激光器温度控制器设计48-54
• 3.3 ON光源频率锁定技术54-58
• 3.4 发射光学部分58-62
• 3.4.1 光放大器58-62
• 3.4.2 扩束镜62
• 3.5 接收光学部分62-63
• 3.6 电子学设计63-75
• 3.6.1 探测器选型63-66
• 3.6.2 前放电路的设计66-73
• 3.6.3 模数转换电路73-75
• 3.7 调制器驱动和偏压控制75-80
• 3.8 上位机软件设计80-82
• 3.9 本章小结82-83
• 4 偏频锁定技术83-93
• 4.1 偏频锁定技术84-86
• 4.2 偏频锁定系统设计86-90
• 4.3 系统测试结果90-91
• 4.4 本章小结91-93
• 5 系统随机误差及零点标定93-99
• 5.1 常规标定方法93-96
• 5.2 扫频法系统标定及标定步骤96-98
• 5.3 本章小结98-99
• 6 实验测量和数据分析99-105
• 6.1 实验系统99-100
• 6.2 系统抗干扰效果的验证100
• 6.3 系统观测数据100-103
• 6.4 本章小结103-105
• 7 总结与展望105-109
• 7.1 本文的主要研究工作和成果105-106
• 7.2 本文主要的创新点106
• 7.3 工作中存在的不足和后续工作展望106-109
• 参考文献109-115

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本文编号：1093107