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武汉上空对流层大气气溶胶Raman/Mie激光雷达探测研究

张金业  
【摘要】: 随着我国改革开放三十年的发展,目前,建立和谐、环保的两型社会是我们的目标。因此,对我们的生存环境有了前所未有的关注。其中大气污染是最为关注的一个问题。实时、定量的大气气溶胶含量是判断大气干洁度的重要指标,也是研究气候气象变化的一个重要要素。发展及时有效的探测手段是目前全国面临的一个巨大挑战。 自从激光器件问世以来,对于大气气溶胶的研究进入了一个划时代的意义,可以实时、长期观测气溶胶的垂直分布廓线,并同时出现了天基激光雷达和地基激光雷达。在利用Mie激光雷达探测反演时,一个激光雷达方程存在两个未知数,气溶胶的消光系数和后向散射系数。所以必须假设他们两者之间的关系,才能解决问题,有了假设就必然引入了误差。而利用Raman激光雷达探测,不需要作此假设,可以精确探测气溶胶的消光系数特性。本文发展了一套地基Raman/Mie多通道激光雷达系统,能够实时、准确地探测武汉地区对流层低空大气气溶胶的光学特性,从而反映气溶胶在大气中垂直分布含量情况。 本文首先在总结前人工作的基础上,把握大气气溶胶研究现状和发展前景,研究激光雷达探测大气气溶胶技术,并根据武汉地区大气气溶胶现状,设计一套地基Raman/Mie多通道激光雷达系统。估算各种参数值,并仿真模拟激光雷达系统的工作特性。集成整个系统,并对系统的各个硬件以及软件部分进行调节与信号的测试。保证系统的各个通道同时、有效的工作。其次,研究大气气溶胶的消光系数、后向散射系数和激光雷达比等特性的反演方法,通过仿真实验来验证反演方法的正确性与可行性。第三,利用自行研制的Raman/Mie多通道激光雷达系统,对武汉地区大气气溶胶消光系数、后向散射系数和激光雷达比等的垂直分布廓线进行实时探测,并做长期观测,以期对武汉地区大气中气溶胶的分布以及变化规律进行研究。第四,研究目前利用激光雷达探测大气边界层的方法,并利用Raman/Mie多通道激光雷达系统探测武汉上空大气边界层的情况,分析边界层的高度、变化规律等。最后,利用此系统对逆温层进行了初步的探测研究。在研究的过程中,解决了一些关键技术问题,并对一些反演算法进行了改进。由于Raman散射信号非常微弱,所以必须对背景噪声进行有效的抑制,才能保证Raman散射信号不会被淹没。我们采用磁场探测技术,对实验室周围的电磁环境进行探测,并输入软件,对电磁噪声进行扣除;利用Raman激光雷达原理可以较为准确的探测大气气溶胶的消光系数,同时结合同一个视场的后向散射Mie信号,可以反演气溶胶的后向散射系数。这里的关键点就是要保证Mie通道信号和Raman通道信号必须来自于同一个视场。利用Raman激光雷达原理反演的激光雷达比,作为Mie散射激光雷达方程的输入条件,反演气溶胶消光系数和后向散射系数。然后比较两种方法所得的结果。如果符合程度较高,说明了两个通道的信号是来自于同一个视场;大气边界层高度是边界层研究最关心的问题之一,而不同的研究者给出了不同的边界层高度的结果,也就使得边界层高度有着不同的判据。目前已经有了很多直接观测的手段,如气象塔观测、系留气球、释放气球、遥控和驾驶飞机以及一些遥感技术。利用不同的参数作为判据,来确定边界层的高度。但最为直接有效的,还是使用激光雷达作为探测工具,可以实时、连续地观测边界层高度及其变化情况。本文提出用Raman激光雷达原理来探测反演大气边界层的高度,并对常用Mie激光雷达探测边界层的SBH99法进行改进,使具有更高的精度。同时也对出现的逆温层的高度进行了探测分析。


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