大氣邊界層內水汽和氣溶膠拉曼激光雷達精細探測技術與實驗研究.pdf

1、 摘要 1 論文題目：大氣邊界層內水汽和氣溶膠拉曼激光雷達精細探測技術與實驗研究論文題目：大氣邊界層內水汽和氣溶膠拉曼激光雷達精細探測技術與實驗研究 學科專業(yè)：機械電子工程 學科專業(yè)：機械電子工程 博 士 生：王玉峰 生：王玉峰 簽名： 簽名： 指導教師：華燈鑫 指導教師：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)，是大氣結構精細觀測的基本參數(shù)，具有相互依存的特性，嚴重影響氣象、氣候以及大氣輻射、熱力學、動力學的變化過程。大氣水汽及氣溶膠光學特性的實時探測技術研究， 對于提高天氣預報的準確性， 研究云的形成， 降水、 大氣污染物的擴散機理以及氣溶膠吸濕性增長與霧霾的生消過程等有著重要的科學研究意義和應用價值與前景。 本文針對大氣邊界層內水汽和氣溶膠的激光雷達探測技術展開研究， 根據(jù)

3、大氣分子的拉曼散射光譜強度與密度之間的依存關系， 研究了精細探測邊界層內大氣水汽和氣溶膠光學特性的關鍵技術， 設計并研發(fā)了一套拉曼激光雷達大氣水汽及氣溶膠精細探測系統(tǒng)， 并以西安城區(qū)上空水汽與氣溶膠為研究對象， 開展了長期的觀測實驗與分析， 獲得了特定城市局地的大氣邊界層內水汽和氣溶膠的時空分布廓線， 統(tǒng)計分析了水汽與氣溶膠的聚集與傳輸過程中兩者的關聯(lián)特性。 研究了強背景噪聲下的微弱信號提取技術， 在系統(tǒng)仿真及理論分析的基礎上， 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設計方案，實現(xiàn)了對米-瑞利散射信號的高效抑制率及水汽振動拉曼信號的高效提取，實驗驗證了該分光系統(tǒng)具有對米-瑞利散射信號 8 個數(shù)量級以上的高效抑制率，為激光雷達水汽精細探測提供了技術支撐。 利用 Nd: YAG 脈沖激光器的三倍頻紫外輸出(波長 354.7 nm)作為激光光源， 增強了分子散射強度提高系統(tǒng)的探測效率， 研發(fā)了一套高光譜分辨率的振動拉曼激光雷達系統(tǒng)。

5、對西安城區(qū)上空邊界層內大氣水汽和氣溶膠等參數(shù)進行實驗觀測， 并利用當?shù)貧庀蟛块T的實時探空數(shù)據(jù)， 研發(fā)了系統(tǒng)標定技術與數(shù)據(jù)反演算法， 完成了系統(tǒng)軟硬件的研制與標定。 觀測結果表明， 在激光能量為 300 mJ，探測時間 10 分鐘條件下，獲得高度 5km 以下水汽廓線， 并與水汽的實時探空數(shù)據(jù)比對， 激光雷達數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)具有較好的一致性， 其線性相關率可達 0.93276，相對測量誤差小于 10% (3km 以下)，驗證了振動拉曼激光雷