邊界層內(nèi)大氣氣溶膠米散射激光雷達探測技術(shù)及實驗研究.pdf

1、大氣邊界層是大氣的近地面層，是人類活動最為密切的區(qū)域，大氣邊界層內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速、氣溶膠分布以及下墊面結(jié)構(gòu)，對地氣系統(tǒng)有著重要的影響。霧霾天氣的形成即是在靜穩(wěn)天氣條件下，邊界層內(nèi)懸浮的氣溶膠顆粒物濃度增強的直觀表現(xiàn)。大氣氣溶膠作為重要的大氣氣象及物理參數(shù)，通過散射和吸收入射太陽輻射和截獲地表長波輻射來影響地氣系統(tǒng)的大氣能量循環(huán)、碳循環(huán)、大氣環(huán)流、水循環(huán)，在地氣系統(tǒng)中扮演著重要的角色。實時準(zhǔn)確地獲取氣溶膠分布剖面是大氣科學(xué)研究與環(huán)境監(jiān)

2、測的重要任務(wù)。
　　論文針對大氣邊界層內(nèi)大氣氣溶膠的激光雷達遙感探測技術(shù)展開研究，根據(jù)大氣氣溶膠米散射理論，結(jié)合模擬探測技術(shù)，設(shè)計并搭建了人眼安全的三維掃描微脈沖米散射激光雷達產(chǎn)品級系統(tǒng)以及多波長米散射激光雷達實驗系統(tǒng)，以西安和西安周邊地區(qū)為研究對象開展實驗觀測與分析，獲得了特定城市局地的大氣邊界層內(nèi)氣溶膠時空分布廓線，大氣邊界層結(jié)構(gòu)，污染物的空間分布與傳輸特性和不同氣溶膠顆粒粒徑分布的初步結(jié)果。研究結(jié)果表明系統(tǒng)在霧霾天氣等高密度

3、氣溶膠聚集區(qū)域?qū)馊苣z的時空分布可進行有效探測，為大氣科學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測提供了探測手段和實驗數(shù)據(jù)。
　　研究了人眼安全的氣溶膠遙感探測理論與技術(shù)，結(jié)合三維掃描自動化控制技術(shù)設(shè)計并研發(fā)了光機電一體化集成的人眼安全的掃描式微脈沖米散射激光雷達產(chǎn)品級系統(tǒng)。研究了強背景噪聲條件下大動態(tài)范圍微弱信號檢測理論與技術(shù)，設(shè)計了基于模擬探測技術(shù)的激光雷達光電探測系統(tǒng)，保證激光雷達在高密度氣溶膠聚集區(qū)域具有高時空分辨率和高精度探測能力，避免了使用光子計

4、數(shù)近場信號飽和失真的問題。設(shè)計了基于光纖和窄帶濾光片相結(jié)合的光學(xué)檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了大氣氣溶膠的全天時探測。設(shè)計并編寫了集系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、可視化顯示以及數(shù)據(jù)反演為一體的自動化軟件，實現(xiàn)了全天時氣溶膠空間分布與傳輸以及大氣邊界層結(jié)構(gòu)的高效實時監(jiān)測。
　　研究了激光雷達性能參數(shù)測試方法與校正技術(shù)，分別從幾何解析和高斯分布兩個角度重點研究了系統(tǒng)幾何重疊因子的計算方法并對設(shè)計的激光雷達系統(tǒng)進行了重疊因子校正。引入了激光發(fā)射光軸與接收軸夾角

5、變化對系統(tǒng)幾何重疊因子的影響并構(gòu)建了含有夾角變化的重疊因子模型，并利用掃描雷達研究了多角度掃描實驗數(shù)據(jù)拼接校正氣溶膠垂直廓線的方法。利用模型和實驗拼接方法對全高程大氣消光系數(shù)廓線進行了理論和實驗校正，降低了系統(tǒng)盲區(qū)以及常規(guī)反演方法引起的低層信號的不確定性，提高了激光雷達系統(tǒng)低層信號的探測能力，對于有效獲取近地面大氣氣溶膠時空分布和傳輸規(guī)律提供較為可靠的實驗方法。
　　利用掃描激光雷達系統(tǒng)對西安和西安周邊地區(qū)邊界層內(nèi)大氣氣溶膠進行實

6、驗觀測與分析，在激光脈沖能量為50μJ，望遠(yuǎn)鏡接收孔徑為254mm，信號平均時間40s及距離分辨率為7.5m且天氣相對晴朗條件下，系統(tǒng)探測氣溶膠的有效距離可達到白天3-5km，夜晚10-15km。研究了水平掃描探測的反演與可視化方法，實現(xiàn)了氣溶膠水平分布，污染源判定，污染物擴散方式的有效探測。研究了邊界層高度的反演方法，對比分析了各種方法的優(yōu)缺點，與氣象探空儀的溫濕度廓線資料進行了對比分析，獲得了特定城市局地的邊界層結(jié)構(gòu)年變化特征，為研

7、究局部污染傳輸機理、城區(qū)大氣邊界層特征、區(qū)域性氣溶膠傳輸源估計提供方法與手段。
　　針對單通道米散射激光雷達系統(tǒng)獲得信息單一且反演理論存在假設(shè)的不足，設(shè)計并搭建了以355nm、532nm和1064nm波長激光為激勵源的多波長米散射激光雷達實驗系統(tǒng)。設(shè)計了基于分色片和干涉濾光片的分光系統(tǒng)，實現(xiàn)不同波段米散射信號的精細(xì)分離和有效提取。利用該系統(tǒng)對西安地區(qū)的大氣氣溶膠開展初步觀測實驗，反演獲得不同波長下大氣氣溶膠廓線、光學(xué)厚度廓線以及A