气溶胶光学特性的偏振激光雷达探测方法与实验研究

发布时间：2017-12-11 17:32

  本文关键词：气溶胶光学特性的偏振激光雷达探测方法与实验研究

  更多相关文章： 气溶胶 偏振激光雷达 退偏比 雷达比 波长指数

【摘要】：大气气溶胶是指由大气介质和悬浮于其中的固体或液体微粒所组成的多相体系,对人类健康和生态环境有着非常重要的影响。退偏比、雷达比和波长指数是激光雷达探测气溶胶时的重要物理参数,可采用偏振激光雷达、拉曼激光雷达和多波长激光雷达等设备进行实验探测。然而,目前的研究大多是针对单个参数独立进行,缺少必要的交叉。因此,本课题以偏振激光雷达探测气溶胶物理参数技术为手段,开展退偏比、雷达比和波长指数及其相关性的研究,对改善气溶胶物理及光学特性精细反演技术,揭示三者之间的内在相关特性,推动偏振激光雷达综合探测气溶胶物理特性技术的发展具有重要的科学研究意义及应用价值。论文以米散射理论和气溶胶粒谱分布为基础,仿真分析了水云、雾和大陆型气溶胶的雷达比和波长指数,研究了二者与气溶胶组分及入射光波长之间的关系。仿真结果表明,水云和雾在355nm,532nm和1064nm的雷达比均在19sr左右,不同波长的消光系数基本一致;大陆型气溶胶的雷达比与其中soot型气溶胶的含量正相关,其波长指数的平均值为1.3,可为激光雷达数据反演和气溶胶光学特性分析提供科学数据。为改善系统探测性能,针对同轴米散射激光雷达,提出了以特定区间内距离平方校正信号的积分作为准直判据的方法。以准值判据最大化为目标,采用变步长调节算法,设计了高精度快速自准直系统,调节精度可达0.05mrad,提高了激光雷达系统可操作性,为实现探测的自动化和无人值守提供了技术支撑。分析了气溶胶退偏比、雷达比和波长指数的相关性,发现了特定种类气溶胶与三者的对应关系,并以双波长微脉冲偏振激光雷达系统为研究对象,提出了精细求解双波长偏振激光雷达方程的反演方法,该方法通过反证有效保证了数据处理的有效性和可靠性,实现了气溶胶光学特性的精细反演。采用模拟探测技术,研发了一台便携式人眼安全可三维扫描的微脉冲偏振激光雷达,实现了近地表气溶胶高密度聚集区域内,高增益大动态范围大气回波信号的有效探测。针对西安地区开展了气溶胶形态特性的实验研究,通过俯仰扫描探测,实现了近地表80～1000米范围内气溶胶退偏比的有效探测,验证了系统设计及算法的可行性,对城市底层气溶胶的产生、传输及扩散特性研究具有重要的意义。针对Fernald法求解米散射激光雷达方程需要设定雷达比的问题,提出了以激光雷达有效探测范围内气溶胶光学厚度为收敛判据,采用二分法迭代反演低层气溶胶雷达比的新方法。该方法仅利用激光雷达米散射回波信号和太阳光度计观测数据即可有效反演低层气溶胶的雷达比,消除了雷达比假设引起的不确定误差,提高了激光雷达方程的反演精度。综上,论文分析了多种不同类型气溶胶的雷达比和波长指数,设计并研发了可自准直的微脉冲偏振激光雷达系统,以偏振激光雷达为核心,研究了退偏比、雷达比和波长指数及其之间相关性的探测方法与实验,实现了气溶胶光学特性的精细反演和交叉研究,对揭示气溶胶光学特性深层规律具有重要的意义。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958.98

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