本文關鍵詞：純轉(zhuǎn)動拉曼—瑞利激光雷達中低空大氣溫度探測研究　出處：《中國科學院研究生院(武漢物理與數(shù)學研究所)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 大氣溫度 激光雷達 中低空 純轉(zhuǎn)動拉曼 瑞利 自校準 擾動特征

【摘要】：大氣溫度是描述大氣狀態(tài)的一個重要氣象參數(shù)。利用高時空分辨的激光雷達探測大氣溫度是大氣熱力學和動力學研究的一種有效手段。通過各個層段的大氣溫度連通性探測,對研究各大氣層之間的能量傳播以及人類活動對大氣環(huán)境的影響都具有重要意義。本論文以中低空大氣溫度探測為研究目標,研制出了一套純轉(zhuǎn)動拉曼-瑞利激光雷達系統(tǒng),實現(xiàn)了5-80 km范圍的大氣溫度高精度探測；通過對數(shù)據(jù)的處理分析,提出了新的校準反演方法,同時對中低空大氣溫度的熱結(jié)構和擾動特征進行了分析。主要研究內(nèi)容如下：(1)本文主要完成了一套集成純轉(zhuǎn)動拉曼與瑞利兩種測溫機制的激光雷達系統(tǒng)的研制。該激光雷達系統(tǒng)的激光發(fā)射單元采用種子注入的Nd:YAG激光器二次倍頻輸出脈沖能量約300 mJ的532.106nm激光,通過碘分子穩(wěn)頻技術保證了中低空大氣風場和溫度的聯(lián)合觀測；接收單元采用1m口徑的長焦卡塞格林式望遠鏡,通過收發(fā)精確匹配、高分辨光譜分光濾光優(yōu)化設計以及分通道斬波技術,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動拉曼和瑞利散射回波信號的高效接收與分離：采集單元利用斬波同步觸發(fā)控制和弱信號檢測技術,對中低空不同探測范圍的回波信號進行了采集和處理。(2)本文基于純轉(zhuǎn)動拉曼-瑞利激光雷達系統(tǒng)完成了中低空大氣溫度的連通探測。利用轉(zhuǎn)動拉曼測溫方法實現(xiàn)了低空5-40 km的大氣溫度探測,利用高、低空瑞利探測通道分別實現(xiàn)了50～80 km和30-60 km的中層大氣溫度探測。根據(jù)重疊區(qū)域(30～40 km、50-60 km)的溫度數(shù)據(jù),本文提出了一種數(shù)據(jù)融合方法,獲得了5-80 km完整的溫度廓線。在6h(1 h)的累積時間下,對不同高度段分別采用600 m、900 m和1200 m的空間分辨率,10 km高度轉(zhuǎn)動拉曼的溫度測量精度為0.1 K(0.3 K),30 km增大為0.7 K(1.8 K)；低空瑞利通道從30 km到50 km的溫度測量不確定度從0.15 K(0.4 K)增大到1.1 K(2.7 K),而對于高空瑞利通道,溫度測量的不確定度從50 km處的0.4 K(1.0 K)逐漸增大為80 km的3.4 K(8.8 K)。此外,轉(zhuǎn)動拉曼-瑞利激光雷達的觀測結(jié)果還與同時段的探空氣球、模式(NRLMSISE00)和衛(wèi)星(TIMED/SABER)數(shù)據(jù)進行了比較,結(jié)果的一致性證明了該激光雷達系統(tǒng)溫度測量的可靠性。(3)本文分別對轉(zhuǎn)動拉曼和瑞利的溫度反演算法進行了模擬,并對觀測數(shù)據(jù)進行了處理分析。對于轉(zhuǎn)動拉曼溫度反演方法,本文重點分析了濾光片參數(shù)的優(yōu)化選取及校準函數(shù)的選擇,討論了系統(tǒng)參數(shù)變化(激光波長、線寬和濾光片角度)對校準和溫度反演結(jié)果的影響。根據(jù)觀測數(shù)據(jù),針對不同時空分辨下的轉(zhuǎn)動拉曼溫度探測精度、對流層頂附近及四季不同的溫度結(jié)構特征分別進行了分析；而對于瑞利溫度反演方法,本文主要討論了參考值和氣溶膠含量對大氣密度和溫度反演結(jié)果的影響。根據(jù)觀測數(shù)據(jù),對高、低空瑞利通道分別探測到的密度、溫度及相應的擾動進行了分析。從轉(zhuǎn)動拉曼和瑞利的溫度擾動中可以看出,大氣的不同高度均出現(xiàn)有周期性的波動特征。(4)本文基于轉(zhuǎn)動拉曼與瑞利兩種機制之間長達10 km的重疊探測,提出了一種利用瑞利溫度對轉(zhuǎn)動拉曼回波信號進行校準和溫度反演的新方法,即自校準方法。利用同一套激光雷達系統(tǒng)中的兩種測溫機制實現(xiàn)校準,具有時空一致性和實時校準的優(yōu)勢,而且不依賴于其他溫度探測手段,更適于野外環(huán)境的觀測。但是,自校準方法受校準區(qū)間和信噪水平的限制,與氣球校準方法相比,兩個系數(shù)的校準函數(shù)Q=exp(a+b/T)更適用于自校準方法,而且兩種校準方法用于溫度擾動分析時,分別得到的溫度擾動的偏差小于0.015 K,因此,自校準方法與氣球校準方法一樣可用于大氣擾動的分析。(5)本文基于自校準方法獲得的5-80 km大氣溫度廓線,對不同大氣層段的溫度結(jié)構和擾動特征進行了分析。從近地面至中間層頂,大氣溫度的擾動表現(xiàn)出波動的性質(zhì)。隨高度升高其擾動幅度按照～10 km的標高指數(shù)增長,但是在一些高度(如39 km、52 km、64 km和73 km),溫度的擾動始終表現(xiàn)為極小值("nodes")。通過比較不同高度段的溫度和擾動特征,可以發(fā)現(xiàn)一些不同的波長、振幅、相位等波動信息,說明了大氣中的一些波源于低層大氣,而且在向上傳播的過程中,表現(xiàn)出不穩(wěn)定的特性。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(武漢物理與數(shù)學研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN958.98

【參考文獻】

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本文編號：1332898