扫描激光雷达的系统研制及应用研究

【摘要】：对流层作为最活跃,天气现象最复杂的层结,成为大气尘埃、云团以及烟雾等粒子分布的主要区域,这些成分的物理特性及空间分布在长、短期预测以及大气环境的研究中具有重要的作用。激光雷达充分吸收了激光探测和雷达遥感的优点,具有高的测量精度和高的时空分辨率。目前,大多数激光雷达只能固定地指向天顶角或是某一个固定的角度,使其在对气溶胶和云分布进行观测研究时具有一定的局限性,本文研制了能够改变天顶角和方位角的扫描激光雷达。本文研制了用于气溶胶和云观测的扫描激光雷达,该系统采用微型二极管泵浦Nd:YAG固体激光器,经倍频后单脉冲能量为20μL,脉冲重复频率为11KHz,可以使系统在单位时间内得到更高的信噪比。激光器的激光头、扩束镜安装在望远镜上,在旋转测量过程中能够保持激光光轴与望远镜轴线平行。接收系统使用直径200mm的Meade望远镜,望远镜镜筒在上半球内可自由转动。系统使用芯径200μm光纤将望远镜接收到的后向散射信号送入接收系统,经过准直、滤光后由光电倍增管探测。利用VB软件编写可视化窗口,通过串口通信控制三维扫描平台的工作方式,使整个系统工作于不同的扫描模式下,以实现对不同区域气溶胶的分布以及全天空云的监测。利用已有的RRML(瑞利—拉曼—米)激光雷达对扫描激光雷达测量能力进行了验证。在系统研制的基础上,对大气水平气溶胶、大气气溶胶廓线及南京北郊化工厂的烟囱排放进行了实地的观测,使用斜率法、Femald方法及斜率法-Fernald前向积分法相结合的方法,反演出水平能见度、大气消光系数及烟羽的消光系数,并获得烟羽周围气溶胶排放的三维分布。数据分析表明,扫描激光雷达可以探测水平能见度、立体空间内大气气溶胶的消光系数分布,能够自动扫描获取局地污染源的方位及其污染源状况,实时监测污染物排放的相对浓度、空间扩散区域及其消光系数随时空变化的规律,是环境监测的有效工具。利用扫描激光雷达对云的分布进行测量,分别使用垂直测量、扇扫和体扫三种不同的观测方式,利用微分增强法、单点积分法及透过率法分别获得云高、云量及云的光学厚度,综合分析云的光学特性的空间分布,并与RRML激光雷达探测数据进行对比。数据表明,与传统激光雷达相比,研制的扫描激光雷达能够精细的描述出云高、云量和云光学厚度的空间分布,体现了扫描激光雷达在全天空云探测方面的优势。