【摘要】：水汽是大氣中最活躍的氣象和氣候因子,參與和影響大部分大氣物理和化學過程,對大氣水汽垂直分布的探測,有助于增加人類對大氣水循環(huán)、水汽垂直輸運過程、大氣輻射傳輸模型的理解。激光雷達是一種基于探測不同高度大氣對脈沖激光的散射信號強度,獲取被測對象垂直分布特征的技術,相比原位探測、紅外輻射測量等技術,具有高時間和空間分辨率的特點。利用工作于水汽振轉吸收譜的差分吸收激光雷達,可以實現高信噪比水汽濃度的快速全天時探測,為大氣湍流、邊界層水汽垂直輸運過程的研究提供高信噪比的測量數據。本論文介紹了一套工作于936nm波長可調諧地基水汽探測差分吸收激光雷達,具備全天時工作能力,能探測距離地表250m至3000m高度范圍內大氣水汽廓線。全文主要包含以下4個方面內容:1)分析差分吸收激光雷達探測技術原理,對所設計雷達進行參數化建模,評估引起水汽探測誤差的各項因素及其對誤差的貢獻。分析得出高分辨率探測對發(fā)射激光線寬400MHz、頻率不確定度200MHz、光譜純度99.5%的要求,同時計算出瑞利散射的多普勒展寬對936nm波段on-line下行有效吸收截面的影響普遍在130%量級,布里淵散射對多普勒展寬線型的改變程度在中心頻率附近不超過20%,由此得出后續(xù)吸收截面校正工作的側重點;2)完成了一套936nm地基水汽探測差分吸收激光雷達系統的研制工作,詳細論述了單縱模發(fā)射機、雙通道接收機以及配套客戶端軟件的設計思路與實現方式,重點描述了自研超高精度種子激光穩(wěn)頻系統、光參量振蕩器諧振腔動態(tài)鎖定系統。通過基于SFPI的超高精度種子激光穩(wěn)頻,on-line和off-line的種子激光可以達到4.329MHz(1.35×10~(-8))的穩(wěn)頻精度,配合基于Ramp-Hold-Fire的諧振腔腔長動態(tài)鎖定,使得整個激光雷達發(fā)射機的發(fā)射激光頻率穩(wěn)定度達到28.66MHz(8.94×10~(-8));3)設計了基于Python的數據處理算法,依次介紹了算法各個步驟的實現方式及效果,并對主要誤差進行了校正。反演結果表明,在時間分辨率60s,高度分辨率60m時,本系統的遠場通道可以有效探測自重疊因子≥1(~700m)至3000m高度范圍內大氣水汽廓線,近場通道的有效探測距離為自地面250m至1000m,隨機誤差不超過0.3g/m~3。在時間分辨率10s,高度分辨率60m時,雷達數據應用基于“自協方差法”的湍流統計特征算法能夠成功提取湍流統計特征,滿足湍流研究需要;4)使用所研制的差分吸收激光雷達獲得了上海市上空高時間分辨率的水汽濃度數據,選擇了5次典型案例進行介紹,實驗結果表明本系統在時間分辨率60s,高度分辨率60m時,能夠全天時測量距地面250m至3000m范圍內大氣水汽濃度,并與同時刻上海市氣象站釋放的無線電探空儀數據進行了對比,證明了本系統探測的有效性。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN958.98;P426;P412.25

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李宗金;對大氣污染物檢測的差分吸收激光遙測法的分析[J];環(huán)境保護科學;1988年01期

2 段憶翔;;激光在大氣監(jiān)測中的應用[J];儀器儀表與分析監(jiān)測;1989年04期

3 楊澤后;周鼎富;陳涌;孫鵬;王建銀;陳云亮;江東;候天晉;;差分吸收激光測污雷達研究[J];紅外與激光工程;2006年S3期

4 朱世德，向安平，任基;差分吸收法測量大氣壓強的誤差研究[J];應用光學;1995年01期

5 洪光烈;李嘉唐;孔偉;舒嶸;;國外差分吸收激光雷達探測大氣水汽廓線的研究進展[J];光譜學與光譜分析;2019年02期

6 鄭海明;蔡小舒;;溫度對二氧化硫紫外差分吸收特性影響的實驗研究[J];工程熱物理學報;2006年04期

7 李利鋒;楊青;朱林泉;;基于紅外差分吸收法的瓦斯?jié)舛葯z測研究[J];機械工程與自動化;2010年02期

8 王青春;李維安;王勇;;基于差分吸收法光纖瓦斯傳感器的研究[J];煤炭工程;2007年09期

9 尹世榮,王蔚然,李新山;差分吸收激光雷達回波信號統計模型的研究[J];光學學報;2005年01期

10 林金明;曹開法;胡順星;黃見;苑克娥;時東鋒;邵石生;徐之海;;差分吸收激光雷達探測二氧化硫實驗研究[J];紅外與激光工程;2015年03期

相關會議論文 前10條

1 胡順星;胡歡陵;吳永華;周軍;;差分吸收激光雷達測量對流層上部和平流層下部臭氧[A];第九屆（2001）全國大氣環(huán)境與污染學術會議論文集[C];2001年

2 楊澤后;周鼎富;陳涌;孫鵬;王建銀;陳云亮;江東;候天晉;;差分吸收激光測污雷達研究[A];2006年全國光電技術學術交流會會議文集（C 激光技術與應用專題）[C];2006年

3 胡順星;劉秋武;陳亞峰;孫培育;王曉賓;呂申龍;黃見;曹開法;;基于染料激光的SO_2/NO_2探測激光雷達技術[A];2016中國環(huán)境科學學會學術年會論文集（第二卷）[C];2016年

4 劉詠;孫慶國;王燁芳;;基于差分吸收激光雷達的危險氣體光學遙測技術[A];第35屆中國氣象學會年會 S12 大氣成分與天氣、氣候變化與環(huán)境影響暨環(huán)境氣象預報及影響評估[C];2018年

5 張與鵬;劉東;白劍;劉崇;汪凱巍;劉群;周雨迪;成中濤;羅敬;楊甬英;畢磊;張克俊;;星載CO_2差分吸收激光雷達誤差分析及仿真研究[A];第33屆中國氣象學會年會 S21 新一代氣象衛(wèi)星技術發(fā)展及其應用[C];2016年

6 王偉;;基于差分吸收技術的NO_2濃度測量技術研究[A];2010年全國發(fā)電廠熱工自動化專業(yè)會議論文集[C];2010年

7 張高勇;張寅超;胡順星;岳古明;胡歡凌;楊陸軍;;SO_2吸收截面差測量及其在車載差分激光雷達中的應用[A];第九屆（2001）全國大氣環(huán)境與污染學術會議論文集[C];2001年

8 陳涌;周鼎富;楊澤后;孫鵬;陳云亮;王建銀;;CO_2差分吸收激光雷達信號處理[A];2006年全國光電技術學術交流會會議文集（D 光電信息處理技術專題）[C];2006年

9 王秀君;翟崇志;王界;盛世杰;吳靖媛;;重慶地區(qū)秋季大氣臭氧垂直分布特征研究[A];第33屆中國氣象學會年會 S11 大氣成分與天氣、氣候變化及環(huán)境影響[C];2016年

10 王允韜;阮馳;張文松;趙洪波;羅來根;筵麗萍;劉志麟;;基于紅外吸收光譜的油氣濃度光纖傳感[A];全國第15次光纖通信暨第16屆集成光學學術會議論文集[C];2011年

相關重要報紙文章 前5條

1 張顯峰;環(huán)境監(jiān)測：中國黑馬來了[N];科技日報;2004年

2 記者 吳長鋒;高分五號衛(wèi)星大氣環(huán)境載荷通過在軌測試[N];科技日報;2018年

3 張顯峰;“孩子總是自己的好”[N];中國礦業(yè)報;2004年

4 本報記者 汪永安;探秘安徽造“天眼”[N];安徽日報;2019年

5 本報記者　　何聰;1秒鐘測出準確數據[N];人民日報;2006年

相關博士學位論文 前10條

1 李嘉唐;高分辨率全天時水汽探測差分吸收激光雷達技術研究[D];中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所);2019年

2 游峰;基于掩星模式的臨近空間大氣溫壓廓線的星間差分吸收激光探測方法研究[D];中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所);2018年

3 梁艾琳;星載遙感二氧化碳的驗證、反演及應用[D];武漢大學;2018年

4 劉秋武;基于染料激光器的大氣二氧化氮差分吸收激光雷達探測[D];中國科學技術大學;2018年

5 曲藝;甲烷與一氧化碳濃度光學檢測[D];吉林大學;2006年

6 尹世榮;差分吸收激光雷達建模仿真及其信息處理算法的研究[D];電子科技大學;2007年

7 劉豪;大氣二氧化碳探測差分吸收激光雷達技術研究[D];中國科學院研究生院(上海技術物理研究所);2015年

8 梅亮;激光光譜學在環(huán)境監(jiān)測中的應用[D];浙江大學;2013年

9 陳勝哲;大氣水汽探測激光雷達系統仿真與數據反演[D];北京理工大學;2014年

10 吳希軍;基于光譜吸收的瓦斯檢測技術及實驗研究[D];燕山大學;2010年

相關碩士學位論文 前10條

1 章樺萍;差分吸收激光雷達探測二氧化碳柱濃度的數據處理與誤差分析[D];中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所);2019年

2 蘇蓓蕾;基于差分吸收雷達的SF_6泄漏檢測方法研究[D];合肥工業(yè)大學;2019年

3 劉琳琳;差分吸收激光雷達觀測淮南大氣SO_2和NO_2濃度時空分布實驗研究[D];中國科學技術大學;2019年

4 徐玲;中紅外差分吸收激光雷達控制軟件和實驗研究[D];南京信息工程大學;2018年

5 陳國棟;光譜測量系統中差分吸收算法的優(yōu)化研究[D];西安工業(yè)大學;2017年

6 張寧寧;差分吸收監(jiān)測氣體成分的研究[D];長春理工大學;2007年

7 薩日娜;中紅外差分吸收激光雷達數值模擬及實驗研究[D];南京信息工程大學;2017年

8 張騰;基于差分吸收激光雷達系統的信號融合研究[D];蘭州大學;2017年

9 生偉;CO_2激光差分吸收雷達光發(fā)射系統的控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2006年

10 李志博;小型CO_2差分吸收激光雷達系統的實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

，

本文編號：2604288