多纵模高光谱分辨率激光雷达数据反演及实验研究

【摘要】：气溶胶对大气物埋研究和气候变化的影响十分盟要9它与人类的生产活动息息相关。大气气溶胶的光学特性是大气状态的重要参数,对气溶胶光学特性的探测有助于人类了解云和大气的动态进程9为天气预报和全球气候变化的分析提供了重要思路。高光谱分辨率激光雷达通过光谱鉴别器分离气溶胶米散射和大气分子瑞利散射信号,实现气溶胶光学特性的精细探测。而多纵模高光谱分辨率激光雷达利用具有周期性透过率函数的马赫一泽德干涉仪分离多纵模激光激励的气溶胶米散射和大气分子瑞利散射信号,从而建立米散射通道和瑞利散射通道的双激光雷达方程组,为精确反演气溶胶光学参量提供技术支撑。课题组在前期完成了多纵模高光谱分辨率激光雷达的理论研究基础,并搭建了大光程差的马赫一泽德干涉仪系统,本论文主要开展气溶胶光学参量的数据反演算法和实验验证研究,以期形成完整的多纵模高光谱分辨率激光雷达精细探测气溶胶光学参量的理论和技术。论文提出了基于复相干度的多纵模高光谱分辨率激光雷达的气溶胶后向散射系数、光学厚度及消光系数的反演新算法和误差分析模型。仿真结果表明,基于复相干度的反演算法计算结果与原始数据契合度高,反演算法正确可靠;反演结果误差主要来源于激光雷达系统常数和气溶胶光谱信号的复相干度。气溶胶层或云层会较大程度地降低气溶胶后向散射系数和光学厚度的反演精度,气溶胶后向散射系数的误差可以忽略不计,同时当相对误差J控制在20%以内时,光学厚度的误差大多数可以控制在0。4以内。论文构建了多纵模高光谱分辨率激光雷达实验系统,开展了实验观测研究。激光雷达系统常数和复相干度的仿真和实验评估为多纵模高光谱分辨率激光雷达的数据反演不确定度分析提供数据支持。结果表明,晴天条件下实测数据的系统常数估算为(2。46±0。02)×1010,复相干度的不确定度为±0.0347。实验观测结果表明,天气晴朗条件下多纵模高光谱分辨率激光雷达可实现3km以下气溶胶后向散射系数、光学厚度和消光系数廓线的反演,而在阴天或多云天气条件下,由于马赫一泽德干涉仪对较强米散射信号的抑制率不够,仅能实现云下数据的精确反演。连续观测实验结果表明多纵模高光谱分辨率激光雷达系统具备对大气气溶胶进行长期观测研究的能力。