大氣邊界層內(nèi)水汽和氣溶膠拉曼激光雷達(dá)精細(xì)探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、 摘要 1 論文題目：大氣邊界層內(nèi)水汽和氣溶膠拉曼激光雷達(dá)精細(xì)探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究論文題目：大氣邊界層內(nèi)水汽和氣溶膠拉曼激光雷達(dá)精細(xì)探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究 學(xué)科專業(yè)：機(jī)械電子工程 學(xué)科專業(yè)：機(jī)械電子工程 博 士 生：王玉峰 生：王玉峰 簽名： 簽名： 指導(dǎo)教師：華燈鑫 指導(dǎo)教師：華燈鑫 教授 教授 簽名： 簽名：

2、 摘 要 大氣水汽和氣溶膠是重要的大氣氣象及物理參數(shù)，是大氣結(jié)構(gòu)精細(xì)觀測(cè)的基本參數(shù)，具有相互依存的特性，嚴(yán)重影響氣象、氣候以及大氣輻射、熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的變化過(guò)程。大氣水汽及氣溶膠光學(xué)特性的實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)研究， 對(duì)于提高天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性， 研究云的形成， 降水、 大氣污染物的擴(kuò)散機(jī)理以及氣溶膠吸濕性增長(zhǎng)與霧霾的生消過(guò)程等有著重要的科學(xué)研究意義和應(yīng)用價(jià)值與前景。 本文針對(duì)大氣邊界層內(nèi)水汽和氣溶膠的激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)展開(kāi)研究， 根據(jù)

3、大氣分子的拉曼散射光譜強(qiáng)度與密度之間的依存關(guān)系， 研究了精細(xì)探測(cè)邊界層內(nèi)大氣水汽和氣溶膠光學(xué)特性的關(guān)鍵技術(shù)， 設(shè)計(jì)并研發(fā)了一套拉曼激光雷達(dá)大氣水汽及氣溶膠精細(xì)探測(cè)系統(tǒng)， 并以西安城區(qū)上空水汽與氣溶膠為研究對(duì)象， 開(kāi)展了長(zhǎng)期的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與分析， 獲得了特定城市局地的大氣邊界層內(nèi)水汽和氣溶膠的時(shí)空分布廓線， 統(tǒng)計(jì)分析了水汽與氣溶膠的聚集與傳輸過(guò)程中兩者的關(guān)聯(lián)特性。 研究了強(qiáng)背景噪聲下的微弱信號(hào)提取技術(shù)， 在系統(tǒng)仿真及理論分析的基礎(chǔ)上， 提出了

4、由高分辨率衍射光柵和窄帶通高反射率平面反射鏡等組成的高光譜分辨率分光技術(shù)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)米-瑞利散射信號(hào)的高效抑制率及水汽振動(dòng)拉曼信號(hào)的高效提取，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該分光系統(tǒng)具有對(duì)米-瑞利散射信號(hào) 8 個(gè)數(shù)量級(jí)以上的高效抑制率，為激光雷達(dá)水汽精細(xì)探測(cè)提供了技術(shù)支撐。 利用 Nd: YAG 脈沖激光器的三倍頻紫外輸出(波長(zhǎng) 354.7 nm)作為激光光源， 增強(qiáng)了分子散射強(qiáng)度提高系統(tǒng)的探測(cè)效率， 研發(fā)了一套高光譜分辨率的振動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)。

5、對(duì)西安城區(qū)上空邊界層內(nèi)大氣水汽和氣溶膠等參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)， 并利用當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)的實(shí)時(shí)探空數(shù)據(jù)， 研發(fā)了系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)與數(shù)據(jù)反演算法， 完成了系統(tǒng)軟硬件的研制與標(biāo)定。 觀測(cè)結(jié)果表明， 在激光能量為 300 mJ，探測(cè)時(shí)間 10 分鐘條件下，獲得高度 5km 以下水汽廓線， 并與水汽的實(shí)時(shí)探空數(shù)據(jù)比對(duì)， 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)具有較好的一致性， 其線性相關(guān)率可達(dá) 0.93276，相對(duì)測(cè)量誤差小于 10% (3km 以下)，驗(yàn)證了振動(dòng)拉曼激光雷