基于拉曼激光雷达的大气温湿度同步探测与研究

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1、分类号UDC密级学号1108030229硕士学位论文基于拉曼激光雷达的大气温湿度同步探测与研究高朋学科门类：工学学科名称：光学工程指导教师：华灯鑫教授王玉峰副教授申请日期：2014年03月摘要论文题目：基于拉曼激光雷达的大气温湿度同步探测与研究学科名称：光学工程研究生：高朋签名：指导教师：华灯鑫教授签名：王玉峰副教授签名：摘要温度和湿度是表征大气物理状态的两个重要参数。温湿度变化严重影响着气候、大气动力学和热力学变化。全时段、广领域的温、湿度测量是建立常规大气模型、研究大气运动规律、预报天气情况的基本要素。

2、激光雷达大气温湿度探测为气候研究、灾害预警提供了一种有效手段，具有很高的研究价值。论文依据拉曼激光雷达温湿度探测原理，重点对现有水汽探测拉曼激光雷达系统进行优化设计及功能扩展，增加温度探测通道，设计了一套基于二向色镜和超窄带干涉滤光片的新型高效拉曼分光系统，同步获得大气分子和气溶胶引起的米-瑞利散射信号，氮气分子和水汽分子的振动拉曼散射信号以及氮气分子的高低量子数转动拉曼散射信号的高效率提取，并实现对米-瑞利信号等杂散光的高抑制率。依托西安理工大学激光雷达大气遥感中心的激光雷达系统平台，搭建温湿度同步探测拉

3、曼激光雷达系统，对西安地区夜间大气气溶胶、水汽数密度，大气温度进行了实验探测。在模拟探测方式下，实验验证了分光系统对米-瑞利信号的抑制率可达7个数量级以上；通过反演计算和误差分析，结果表明高度3km以下的温度测量误差小于2K，相对湿度不确定度小于20%，表明了该拉曼激光雷达系统可实现边界层内大气温度、湿度和气溶胶的同步精细探测。为提高系统的探测性能，分析了系统优化方案，重新构建大气温湿度同步探测拉曼激光雷达系统，在激光器能量250mJ，望远镜口径600mm，累积时间为15分钟，10000个脉冲累积平均且光子

4、计数探测条件下，进行实验探测，结果表明系统探测能力得到显著改善，在晴天天气条件下大气温度和相对湿度的有效探测距离分别可达高度10km和8km；在轻度雾霾天气条件下也可实现6km高度下相对湿度的有效探测。与同步探空数据的比对结果表明两者具有较好的一致性，验证了经优化改进的拉曼激光雷达系统可实现边界层以上对流层以下温湿度的同步精细探测。关键词：拉曼激光雷达，大气温度，相对湿度，气溶胶消光系数，光子计数本研究得到国家自然科学基金（项目编号：61275185，41027004）的资助。I西安理工大学硕士学位论文II

5、摘要Title:RESEARCHONSIMULTANEOUSDETECTIONANDSTUDYFORATMOSPHERICTEMPERATUREANDHUMIDITYBYRAMANLIDARMajor:OpticalEngineeringName:PengGAOSignature:Supervisor:Prof.DengxinHUASignature:Assoc.Prof.YufengWANGSignature:AbstractTemperatureandhumidityaretwoimportantpar

6、ameterscharacterizingthephysicalstateoftheatmosphere.Theyseverelyaffectthechangesinclimate、atmosphericthermodynamicsandkinetics.Fulltimeandwidefieldmeasurementsforatmospherictemperatureandhumidityarebasicelementstoestablishregularatmosphericmodel,studythem

7、ovementoftheatmosphereandforecasttheweatherconditions.DetectionofatmospherictemperatureandhumiditybyRamanlidarprovidesaneffectivewayforatmosphericenvironmentresearch,weatherforecast,whichhashighresearchvalue.BasedonRamanLidardetectionprinciplesforatmospher

8、ictemperatureandhumidity,onoptimizingandexpandingtheexistingwatervaporRamanspectroscopicsystem,twotemperaturedetectionchannelswereadded,andanewlyhigh-efficiencyRamanspectroscopicsystemwasdesignedcombinedwithd