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水汽激光Raman探测实验研究

作　者: 尹祺巍
导　师: 刘智深
学　校: 中国海洋大学
专　业: 海洋信息探测与处理
关键词: Raman激光雷达水汽混合比垂直分布时空变化
分类号: P412.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 27次
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内容摘要

水汽是水在大气中的气态形式,它在大气中的含量很小,但却是大气中最活跃的成分,因为水汽是大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分,所以它在天气过程,气候变化,地气系统的能量交换等过程中具有极其重要的作用。Raman激光雷达是进行水汽探测的最有效工具之一,它具有很高的时间和空间分辨率,并且结构相对简单。自20世纪六十年代起,国内外许多研究机构都在进行这方面的研究。本论文首先对地球大气的垂直结构和标准大气模型进行了简单介绍,阐述了激光与大气相互作用的机制,重点介绍了Raman散射原理,散射光谱和散射截面,并与Rayleigh-Mie散射进行了对比。在论文的主体部分,介绍了Raman激光雷达进行水汽测量的基本原理,重点分析了通过氮气的Raman回波信号和标准大气模型计算透射率校正函数的问题,讨论了系统常数校正方法并给出七个晚上的校正结果。然后介绍了水汽Raman激光雷达的硬件结构,包括激光发射系统,接收系统及数据采集设备。最后,利用信噪比和相对不确定度对系统的探测能力进行了评估,然后介绍了几次典型的测量结果,本系统实现了从地面到海拔2km处的水汽混合比探测,并与同步发射的气象探空仪取得较好的一致。夜间连续观测证明该系统能够精细捕捉水汽混合比时空变化的特征。对水汽混合比测量的信噪比和不确定性进行了定量分析,证明该系统在海拔2000m处的信噪比大于10,对应的水汽测量的相对不确定度小于10%。实验表明该系统性能稳定可靠,测量的水汽和氮气的Raman回波信号有较高的准确性,大气透射率修正函数Δq及系统校正常数Cw等数据处理方法也是正确有效的。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
0 前言  10-14
  0.1 研究背景  10-11
  0.2 水汽Raman 激光雷达发展概况  11-13
  0.3 论文的研究内容和组织结构  13-14
1 水汽 Raman 激光雷达原理  14-26
  1.1 大气层结构及标准大气模型  14-18
    1.1.1 地球大气的垂直分层结构  14-16
      1.1.1.1 对流层  15
      1.1.1.2 平流层  15
      1.1.1.3 中间层  15-16
      1.1.1.4 热层  16
      1.1.1.5 散逸层  16
    1.1.2 标准大气模型  16-18
  1.2 激光和大气的相互作用  18-26
    1.2.1 Rayleigh 散射  18-19
    1.2.2 Mie 散射  19-20
    1.2.3 Raman 散射  20-26
      1.2.3.1 Raman 散射的电磁理论解释  20-21
      1.2.3.2 Raman 散射的量子理论解释  21-22
      1.2.3.3 Raman 散射截面  22-26
2 水汽混合比反演算法  26-33
  2.1 水汽混合比反演的基本原理  26-27
  2.2 透射率修正函数Δq(z0,z)的计算  27-30
  2.3 系统校正常数Cw 的测定  30-31
  2.4 水汽混合比和相对湿度的换算  31-33
3 水汽 Raman 激光雷达系统结构  33-45
  3.1 激光发射子系统  33-36
  3.2 接收子系统  36-43
    3.2.1 望远镜  36
    3.2.2 光纤耦合装置  36-38
    3.2.3 接收光学单元  38-40
    3.2.4 Hamamatsu R7400-20 型光电倍增管  40-43
  3.3 数据采集设备  43-45
4 水汽混合比测量实验及数据处理和分析  45-58
  4.1 水汽Raman 激光雷达的探测能力分析  47-50
  4.2 水汽混合比的垂直廓线  50-54
  4.3 水汽混合比的时空变化  54-58
5 总结与展望  58-59
项目支持  59-60
参考文献  60-62
个人简历  62-63
致谢  63

水汽激光Raman探测实验研究

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