用于潔凈大氣探測的激光測風雷達雙邊緣檢測技術(shù)研究.pdf

1、激光測風雷達可以探測局部大氣三維矢量風場，具有精度高、體積小、探測速度快等優(yōu)點。近年來，美國和歐洲的激光測風雷達技術(shù)已進入實用階段，成功實現(xiàn)了局部三維矢量風場探測，全球風場的探測也正在進行中。國內(nèi)在本領(lǐng)域的相關(guān)研究也在迅速開展。目前探測氣溶膠Mie散射的激光測風雷達技術(shù)已相對成熟，但探測大氣分子Rayleigh散射的激光測風雷技術(shù)達仍需進一步完善，仍有許多問題有待解決。
　　本文就探測潔凈大氣Rayleigh散射的0.355μm紫

2、外激光測風雷達及其雙邊緣檢測技術(shù)進行研究，研究了大氣特性與激光后向散射信號的能量和光譜線型的關(guān)系，并用該關(guān)系指導了激光測風雷達系統(tǒng)和雙邊緣檢測鑒頻系統(tǒng)的設(shè)計和研制。這一研究對測量海洋上空和高空潔凈大氣風場具有重要的應(yīng)用價值。
　　本論文首先介紹激光測風雷達的特點與工作原理，并對國內(nèi)外激光測風雷達技術(shù)研究進展進行了回顧。在比較激光測風雷達與常規(guī)氣象雷達的基礎(chǔ)上，分析了潔凈大氣探測對測風雷達的基本要求，確定了采用0.355μm紫外激光

3、雙邊緣測風雷達進行潔凈大氣探測的技術(shù)方案。
　　其次，對激光測風雷達的探測對象大氣進行了研究，研究了大氣層的結(jié)構(gòu)和組分，水汽和氣溶膠對激光測風雷達探測范圍的影響。對激光在大氣中的傳輸和散射特性進行了研究，研究了大氣及湍流對光波傳輸?shù)挠绊?、大氣對光波的單次散射及多次散射，研究了大氣對光波的Rayleigh散射的分類和大氣后向散射光譜的線型。根據(jù)電磁理論推導了分子和小粒子對光波的后向散射的強度分布，得到大氣分子對0.355μm紫外激光

4、的后向散射系數(shù)。
　　再次，文中設(shè)計了使用0.355μm紫外激光進行潔凈大氣風場探測的激光測風雷達系統(tǒng)。根據(jù)散射型激光雷達距離方程、不同氣象條件下的大氣后向散射系數(shù)和消光系數(shù)以及大氣背景輻射噪聲計算了激光測風雷達發(fā)射激光能量與探測距離的關(guān)系，為激光發(fā)射機設(shè)計做出指導。進行了雙邊緣檢測激光測風雷達系統(tǒng)的物理設(shè)計，根據(jù)裝置的工作環(huán)境和指標要求，進行了各分系統(tǒng)的初步設(shè)計。
　　然后，進行了紫外激光雙邊緣檢測測風雷達的誤差分析與仿真

5、，研究了大氣后向散射比、大氣溫度等因素對激光測風雷達探測誤差的影響。使用Monte Carlo方法研究了發(fā)射機激光線寬對激光測風雷達探測精度和誤差的影響，得到發(fā)射機激光線寬與探測精度和誤差的定量關(guān)系，為激光發(fā)射機研制做出理論指導。
　　接下來，設(shè)計并研制了0.355μm紫外激光雙邊緣鑒頻系統(tǒng)，進行了雙邊緣濾波器的誤差分析。根據(jù)系統(tǒng)工作條件進行了雙邊緣濾波器的設(shè)計和研制，分析了濾波器反射板的平面度與裝配平行度對濾波器鑒頻精度的影響。

6、實驗測試了雙邊緣濾波器的誤差，證明濾波器的加工精度與設(shè)計基本一致，可以用于激光測風雷達實驗系統(tǒng)。
　　最后，進行了激光測風雷達雙邊緣濾波器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計。進行了濾波器控制系統(tǒng)和外界擾動因素的數(shù)學建模，提出了用非線性PID控制方法進行鑒頻器的穩(wěn)定控制以保證鑒頻系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，比較了非線性PID控制方法與經(jīng)典PID控制方法對鑒頻器控制結(jié)果的影響。
　　本論文的工作可以為0.355μm紫外激光雙邊緣測風雷達的進一步研制提供參考