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Mie散射激光雷达实验系统设计与大气消光系数反演方法研究

作　者: 贺应红
导　师: 杨经国
学　校: 四川大学
专　业: 光学
关键词: Mie散射激光雷达气浴胶大气消光系数大气消光系数边界值近场回波信号修正
分类号: X851
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

大气中的尘埃、烟雾、云团等气溶胶粒子在大气过程气象变化及成云致雨中起着重要的作用。同时，这些体积很小的气溶胶粒子在大气中可以停留很长的时间，并且大多数气溶胶粒子都存在于2～3km以下的大气层中，将直接造成对近地面大气的污染，吸入这些气溶胶粒会严重地影响人类的健康。而且大气中气溶胶粒子浓度增加会使空气变得混浊，降低大气的能见度，对交通运输和日常生活带来不利的影响。这些气溶胶粒子的形成除自然的原因外，人为的因素如工厂烟囱和汽车尾气的排放也不容忽视。Mie散射激光雷达是一种用于探测30km以下低空大气中的尘埃、云雾等气溶胶粒子的激光雷达，利用它可对大气气溶胶状况进行探测研究，有利于进一步了解其特性和作用，控制人为的污染。利用Mie散射激光雷达可探测的气溶胶光学参数为后项散射系数和消光系数。其中气溶胶的消光系数与大气的光学厚度、透射系数以及大气的能见度直接相关，具有重要的应用价值。因此，数据采集后需对回波信号进行适当的反演，从而获得大气消光系数。在利用激光雷达信号反演大气消光系数的算法中，比较成功的有Collis的斜率法及Klett的散射激光雷达数据的分析反演算法。斜率法是在大气气溶胶散射很强且分布均匀的情况下，反演激光雷达信号的一种较常用的算法。由于实际大气中，云、雾、烟、尘等的分布哪怕是在最小高度范围内也经常呈现较大的变化，即分布为非均匀情况，限四川大学硕士毕业论文制了斜率法的应用.人们通常采用Klett散射激光雷达数据的分析反演算法对大气回波信号进行反演，得到大气气溶胶消光系数. 本研究工作首先建立了Mie散射激光雷达实验装置。该装里主要由傲光发射单元、回波信号接收单元、信号探测和数据处理单元组成.由于在大气激光雷达测量技术中，信噪比具有重要的影响，因此，很多类型的激光留达选择在夜间工作。为了使该装置能适用于各种条件，在装登设计过程中，采取了小孔限制视场、选取超窄滤光片以及多次采样平均的方法，几使得在白天条件下该装置也能较好的工作。利用该装置成功实现了成都地区大气回波信号的初步探测，所探测的大气回波信号反映了真实大气状况，是四川省成都地区第一台用于探测大气的Mie散射激光雷达。在回波信号反演方法上，本研究工作有如下创新:第一，提出了一种估算大气消光系数边界值的新方法.该算法对于无云层天气条件，利用最小二乘法对回波信号直接进行全程拟合，获得大气消光系数的边界值;对有云层悬浮天气情况，首先将激光雷达信号在大气中的传愉过程分解为云层区和非云层区，忽略回波信号中的云层区信息，假设非云层区大气近似均匀，利用最小二乘法进行拟合，求得大气消光系数的边界值。第二，对诵。教射徽光雷达近场回波信号提出了一种新修正的方法。该算法通过二次曲线拟合及斜率法获得修正后的近场回波距离校正函数曲线，实现对近场回被信号修正:利用这两种新方法，并结合Klett消光系数反演法，对成都地区探拼的回彼信号进行大气消光系数的反演，得到了很好的反演结果。关健词:Mie散射激光雷达;气溶胶:大气消光系数;大气消光系数边界值:近场回波信号修正

全文目录

摘要  2-4
SUMMARY  4-6
目录  6-8
前言  8-13
第一章大气激光雷达探测基础  13-24
  1．1 大气探测激光雷达工作原理  13-14
  1．2 激光与大气物质相互作用机制  14-18
    米氏散射  14-15
    瑞利散射  15
    拉曼散射  15-16
    共振荧光  16-17
    吸收  17-18
  1．3 大气探测激光雷达实验技术  18-24
    1．激光发射系统  19-20
      脉冲激光器  19
      光束准直器  19-20
      光束发射器  20
    2．光学接收系统  20-21
      接收望远镜  20-21
      窄带滤光镜  21
      光电探测器  21
    3．信号检测系统  21-24
      信号放大器和显示器  22
      信号采样平均器  22-23
      微机  23-24
第二章 MIE散射激光雷达大气参数测量理论基础  24-28
  2．1 大气探测激光雷达方程  24-25
  2．2 MIE散射激光雷达大气参数测量基础  25-28
    1．Collis斜率法  26-27
    2．Klett散射激光雷达数据的分析反演算法  27-28
第三章 MIE散射激光雷达实验系统设计及大气回波信号反演方法研究  28-43
  3．1 MIE散射大气激光雷达实验系统设计  28-31
    1．激光发射器与接收器  28-29
    2．小孔光栏  29-30
    3．准直透镜  30
    4．滤光片的选择  30-31
    5．光电探测器及信号检测系统  31
  3．2 MIE散射激光雷达真实回波信号的采集  31-32
  3．3 利用最小二乘法拟合估算消光系数边界值  32-37
    1．无云层时大气消光系数边界值的估算  33-34
    2．有云层情况下大气消光系数边界值的估算  34-36
      云底高度的计算  34-35
      云顶高度的计算  35-36
    3．实际大气消光系数的反演  36-37
  3．4 散射激光雷达近场信号的修正  37-43
    1．近场区激光束与望远镜接收视场交叠面积A(r)的计算  38-40
    2．近场距离校正函数曲线S(r)的修正  40-41
    3 实际大气近场信号的修正  41-43
第四章结论与讨论  43-45
参考文献  45-47
硕士期间发表论文  47-50
致谢  50

Mie散射激光雷达实验系统设计与大气消光系数反演方法研究

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