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水汽激光Raman探测实验研究

尹祺巍  
【摘要】:水汽是水在大气中的气态形式,它在大气中的含量很小,但却是大气中最活跃的成分,因为水汽是大气温度变化范围内唯一可以发生相变的成分,所以它在天气过程,气候变化,地气系统的能量交换等过程中具有极其重要的作用。Raman激光雷达是进行水汽探测的最有效工具之一,它具有很高的时间和空间分辨率,并且结构相对简单。自20世纪六十年代起,国内外许多研究机构都在进行这方面的研究。 本论文首先对地球大气的垂直结构和标准大气模型进行了简单介绍,阐述了激光与大气相互作用的机制,重点介绍了Raman散射原理,散射光谱和散射截面,并与Rayleigh-Mie散射进行了对比。 在论文的主体部分,介绍了Raman激光雷达进行水汽测量的基本原理,重点分析了通过氮气的Raman回波信号和标准大气模型计算透射率校正函数的问题,讨论了系统常数校正方法并给出七个晚上的校正结果。然后介绍了水汽Raman激光雷达的硬件结构,包括激光发射系统,接收系统及数据采集设备。最后,利用信噪比和相对不确定度对系统的探测能力进行了评估,然后介绍了几次典型的测量结果,本系统实现了从地面到海拔2km处的水汽混合比探测,并与同步发射的气象探空仪取得较好的一致。夜间连续观测证明该系统能够精细捕捉水汽混合比时空变化的特征。 对水汽混合比测量的信噪比和不确定性进行了定量分析,证明该系统在海拔2000m处的信噪比大于10,对应的水汽测量的相对不确定度小于10%。 实验表明该系统性能稳定可靠,测量的水汽和氮气的Raman回波信号有较高的准确性,大气透射率修正函数Δq及系统校正常数Cw等数据处理方法也是正确有效的。


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