用于潔凈大氣探測(cè)的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)雙邊緣檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)可以探測(cè)局部大氣三維矢量風(fēng)場(chǎng)，具有精度高、體積小、探測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，美國(guó)和歐洲的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段，成功實(shí)現(xiàn)了局部三維矢量風(fēng)場(chǎng)探測(cè)，全球風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)也正在進(jìn)行中。國(guó)內(nèi)在本領(lǐng)域的相關(guān)研究也在迅速開(kāi)展。目前探測(cè)氣溶膠Mie散射的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)已相對(duì)成熟，但探測(cè)大氣分子Rayleigh散射的激光測(cè)風(fēng)雷技術(shù)達(dá)仍需進(jìn)一步完善，仍有許多問(wèn)題有待解決。
　　本文就探測(cè)潔凈大氣Rayleigh散射的0.355μm紫

2、外激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)及其雙邊緣檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，研究了大氣特性與激光后向散射信號(hào)的能量和光譜線(xiàn)型的關(guān)系，并用該關(guān)系指導(dǎo)了激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)和雙邊緣檢測(cè)鑒頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制。這一研究對(duì)測(cè)量海洋上空和高空潔凈大氣風(fēng)場(chǎng)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　本論文首先介紹激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的特點(diǎn)與工作原理，并對(duì)國(guó)內(nèi)外激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧。在比較激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)與常規(guī)氣象雷達(dá)的基礎(chǔ)上，分析了潔凈大氣探測(cè)對(duì)測(cè)風(fēng)雷達(dá)的基本要求，確定了采用0.355μm紫外激光

3、雙邊緣測(cè)風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行潔凈大氣探測(cè)的技術(shù)方案。
　　其次，對(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)的探測(cè)對(duì)象大氣進(jìn)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(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)范圍的影響。對(duì)激光在大氣中的傳輸和散射特性進(jìn)行了研究，研究了大氣及湍流對(duì)光波傳輸?shù)挠绊憽⒋髿鈱?duì)光波的單次散射及多次散射，研究了大氣對(duì)光波的Rayleigh散射的分類(lèi)和大氣后向散射光譜的線(xiàn)型。根據(jù)電磁理論推導(dǎo)了分子和小粒子對(duì)光波的后向散射的強(qiáng)度分布，得到大氣分子對(duì)0.355μm紫外激光

4、的后向散射系數(shù)。
　　再次，文中設(shè)計(jì)了使用0.355μm紫外激光進(jìn)行潔凈大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)。根據(jù)散射型激光雷達(dá)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(jì)算了激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)發(fā)射激光能量與探測(cè)距離的關(guān)系，為激光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)做出指導(dǎo)。進(jìn)行了雙邊緣檢測(cè)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)，根據(jù)裝置的工作環(huán)境和指標(biāo)要求，進(jìn)行了各分系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。
　　然后，進(jìn)行了紫外激光雙邊緣檢測(cè)測(cè)風(fēng)雷達(dá)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(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)誤差的影響。使用Monte Carlo方法研究了發(fā)射機(jī)激光線(xiàn)寬對(duì)激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)探測(cè)精度和誤差的影響，得到發(fā)射機(jī)激光線(xiàn)寬與探測(cè)精度和誤差的定量關(guān)系，為激光發(fā)射機(jī)研制做出理論指導(dǎo)。
　　接下來(lái)，設(shè)計(jì)并研制了0.355μm紫外激光雙邊緣鑒頻系統(tǒng)，進(jìn)行了雙邊緣濾波器的誤差分析。根據(jù)系統(tǒng)工作條件進(jìn)行了雙邊緣濾波器的設(shè)計(jì)和研制，分析了濾波器反射板的平面度與裝配平行度對(duì)濾波器鑒頻精度的影響。

6、實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)基本一致，可以用于激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
　　最后，進(jìn)行了激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)雙邊緣濾波器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。進(jìn)行了濾波器控制系統(tǒng)和外界擾動(dòng)因素的數(shù)學(xué)建模，提出了用非線(xiàn)性PID控制方法進(jìn)行鑒頻器的穩(wěn)定控制以保證鑒頻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，比較了非線(xiàn)性PID控制方法與經(jīng)典PID控制方法對(duì)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(cè)風(fēng)雷達(dá)的進(jìn)一步研制提供參考