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

1、激光測風(fēng)雷達(dá)可以探測局部大氣三維矢量風(fēng)場，具有精度高、體積小、探測速度快等優(yōu)點(diǎn)。近年來，美國和歐洲的激光測風(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)場探測，全球風(fēng)場的探測也正在進(jìn)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(fēng)雷達(dá)技術(shù)已相對成熟，但探測大氣分子Rayleigh散射的激光測風(fēng)雷技術(shù)達(dá)仍需進(jìn)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(fēng)雷達(dá)及其雙邊緣檢測技術(shù)進(jìn)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(dǎo)了激光測風(fēng)雷達(dá)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(fēng)場具有重要的應(yīng)用價值。
　　本論文首先介紹激光測風(fēng)雷達(dá)的特點(diǎn)與工作原理，并對國內(nèi)外激光測風(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對測風(fēng)雷達(dá)的基本要求，確定了采用0.355μm紫外激光

3、雙邊緣測風(fēng)雷達(dá)進(jìn)行潔凈大氣探測的技術(shù)方案。
　　其次，對激光測風(fēng)雷達(dá)的探測對象大氣進(jìn)行了研究，研究了大氣層的結(jié)構(gòu)和組分，水汽和氣溶膠對激光測風(fēng)雷達(dá)探測范圍的影響。對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(dǎo)了分子和小粒子對光波的后向散射的強(qiáng)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(jìn)行潔凈大氣風(fēng)場探測的激光測風(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算了激光測風(fēng)雷達(dá)發(fā)射激光能量與探測距離的關(guān)系，為激光發(fā)射機(jī)設(shè)計做出指導(dǎo)。進(jìn)行了雙邊緣檢測激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)的物理設(shè)計，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。
　　然后，進(jìn)行了紫外激光雙邊緣檢測測風(fēng)雷達(dá)的誤差分析與仿真

5、，研究了大氣后向散射比、大氣溫度等因素對激光測風(fēng)雷達(dá)探測誤差的影響。使用Monte Carlo方法研究了發(fā)射機(jī)激光線寬對激光測風(fēng)雷達(dá)探測精度和誤差的影響，得到發(fā)射機(jī)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(jī)研制做出理論指導(dǎo)。
　　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(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(shí)驗(yàn)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(fēng)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
　　最后，進(jìn)行了激光測風(fēng)雷達(dá)雙邊緣濾波器穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計。進(jìn)行了濾波器控制系統(tǒng)和外界擾動因素的數(shù)學(xué)建模，提出了用非線性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(fēng)雷達(dá)的進(jìn)一步研制提供參考