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基于侧向激光雷达的大气颗粒散射特性研究

吴端法  
【摘要】:本文针对激光雷达和大气颗粒散射性质做了以下研究:(1)对课题的研究背景做了简单的介绍,重点讲述了激光雷达的分类及特点,以及PM2.5监测方法及其相应的优势和探测大气气溶胶的发展历程和现状。(2)主要介绍了高斯光束的特点以及在真空中的传输特性,讲述了大气的组成成分,以及大气气溶胶与光子的相互作用,重点讲述了Mie散射理论,详细讲解了利用蒙特卡罗方法建立光传输的模型和CCD原理。(3)根据侧向散射激光雷达方程和Mie散射理论,建立了PM2.5浓度与侧向散射光强的关系模型,提出了一种基于CCD实时监测近地面PM2.5浓度的方法。设计了以波长为532nm的激光器为光源,CCD为接收器的侧向散射激光雷达装置,利用该装置测量了散射角在o o15~45之间侧向散射回波信号图。对比赛默飞世尔科技公司的PM2.5浓度测量仪SHARP测得的数据,拟合了PM2.5浓度与3个灰度等级光总能量模型,拟合度均在0.97以上。该装置具有操作便利,移动便捷,实时监测,成本较低的特点,在近地面比后向散射激光雷达具有更高的精度与实用性,有助于了解PM2.5的污染情况,建立PM2.5的运动趋势并进一步得到污染地图。(4)为反演大气侧向散射系数廓线,测量了散射角在o o33~145范围内的大气侧向散射光强。提出了一种有效降低实验噪声的新方法,并绘制了六种原始回波信号伪彩图,将空间散射角转化为平面散射角,从而找到了一种处理CCD像元与散射角对应关系的新方法,大大简化了计算。为研究激光探测水平方向大气气溶胶的多次散射问题,本文建立了基于蒙特卡罗的侧向散射激光雷达仿真模型,利用半解析的蒙特卡罗方法和严格的仿真参数,得到了光子检测器接收的光子总权重归一化值的空间分布规律,对比侧向散射激光雷达实验处理结果,两个具有相近的趋势并且吻合度较高,这能给借助激光雷达探测大气气溶胶提供了一定理论指导和预测作用。


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