邊界層內(nèi)大氣氣溶膠米散射激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、大氣邊界層是大氣的近地面層，是人類(lèi)活動(dòng)最為密切的區(qū)域，大氣邊界層內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速、氣溶膠分布以及下墊面結(jié)構(gòu)，對(duì)地氣系統(tǒng)有著重要的影響。霧霾天氣的形成即是在靜穩(wěn)天氣條件下，邊界層內(nèi)懸浮的氣溶膠顆粒物濃度增強(qiáng)的直觀表現(xiàn)。大氣氣溶膠作為重要的大氣氣象及物理參數(shù)，通過(guò)散射和吸收入射太陽(yáng)輻射和截獲地表長(zhǎng)波輻射來(lái)影響地氣系統(tǒng)的大氣能量循環(huán)、碳循環(huán)、大氣環(huán)流、水循環(huán)，在地氣系統(tǒng)中扮演著重要的角色。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取氣溶膠分布剖面是大氣科學(xué)研究與環(huán)境監(jiān)

2、測(cè)的重要任務(wù)。
　　論文針對(duì)大氣邊界層內(nèi)大氣氣溶膠的激光雷達(dá)遙感探測(cè)技術(shù)展開(kāi)研究，根據(jù)大氣氣溶膠米散射理論，結(jié)合模擬探測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)并搭建了人眼安全的三維掃描微脈沖米散射激光雷達(dá)產(chǎn)品級(jí)系統(tǒng)以及多波長(zhǎng)米散射激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以西安和西安周邊地區(qū)為研究對(duì)象開(kāi)展實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與分析，獲得了特定城市局地的大氣邊界層內(nèi)氣溶膠時(shí)空分布廓線(xiàn)，大氣邊界層結(jié)構(gòu)，污染物的空間分布與傳輸特性和不同氣溶膠顆粒粒徑分布的初步結(jié)果。研究結(jié)果表明系統(tǒng)在霧霾天氣等高密度

3、氣溶膠聚集區(qū)域?qū)馊苣z的時(shí)空分布可進(jìn)行有效探測(cè)，為大氣科學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了探測(cè)手段和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　研究了人眼安全的氣溶膠遙感探測(cè)理論與技術(shù)，結(jié)合三維掃描自動(dòng)化控制技術(shù)設(shè)計(jì)并研發(fā)了光機(jī)電一體化集成的人眼安全的掃描式微脈沖米散射激光雷達(dá)產(chǎn)品級(jí)系統(tǒng)。研究了強(qiáng)背景噪聲條件下大動(dòng)態(tài)范圍微弱信號(hào)檢測(cè)理論與技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于模擬探測(cè)技術(shù)的激光雷達(dá)光電探測(cè)系統(tǒng)，保證激光雷達(dá)在高密度氣溶膠聚集區(qū)域具有高時(shí)空分辨率和高精度探測(cè)能力，避免了使用光子計(jì)

4、數(shù)近場(chǎng)信號(hào)飽和失真的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了基于光纖和窄帶濾光片相結(jié)合的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大氣氣溶膠的全天時(shí)探測(cè)。設(shè)計(jì)并編寫(xiě)了集系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、可視化顯示以及數(shù)據(jù)反演為一體的自動(dòng)化軟件，實(shí)現(xiàn)了全天時(shí)氣溶膠空間分布與傳輸以及大氣邊界層結(jié)構(gòu)的高效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
　　研究了激光雷達(dá)性能參數(shù)測(cè)試方法與校正技術(shù)，分別從幾何解析和高斯分布兩個(gè)角度重點(diǎn)研究了系統(tǒng)幾何重疊因子的計(jì)算方法并對(duì)設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行了重疊因子校正。引入了激光發(fā)射光軸與接收軸夾角

5、變化對(duì)系統(tǒng)幾何重疊因子的影響并構(gòu)建了含有夾角變化的重疊因子模型，并利用掃描雷達(dá)研究了多角度掃描實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拼接校正氣溶膠垂直廓線(xiàn)的方法。利用模型和實(shí)驗(yàn)拼接方法對(duì)全高程大氣消光系數(shù)廓線(xiàn)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)校正，降低了系統(tǒng)盲區(qū)以及常規(guī)反演方法引起的低層信號(hào)的不確定性，提高了激光雷達(dá)系統(tǒng)低層信號(hào)的探測(cè)能力，對(duì)于有效獲取近地面大氣氣溶膠時(shí)空分布和傳輸規(guī)律提供較為可靠的實(shí)驗(yàn)方法。
　　利用掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)西安和西安周邊地區(qū)邊界層內(nèi)大氣氣溶膠進(jìn)行實(shí)

6、驗(yàn)觀測(cè)與分析，在激光脈沖能量為50μJ，望遠(yuǎn)鏡接收孔徑為254mm，信號(hào)平均時(shí)間40s及距離分辨率為7.5m且天氣相對(duì)晴朗條件下，系統(tǒng)探測(cè)氣溶膠的有效距離可達(dá)到白天3-5km，夜晚10-15km。研究了水平掃描探測(cè)的反演與可視化方法，實(shí)現(xiàn)了氣溶膠水平分布，污染源判定，污染物擴(kuò)散方式的有效探測(cè)。研究了邊界層高度的反演方法，對(duì)比分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，與氣象探空儀的溫濕度廓線(xiàn)資料進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得了特定城市局地的邊界層結(jié)構(gòu)年變化特征，為研

7、究局部污染傳輸機(jī)理、城區(qū)大氣邊界層特征、區(qū)域性氣溶膠傳輸源估計(jì)提供方法與手段。
　　針對(duì)單通道米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)獲得信息單一且反演理論存在假設(shè)的不足，設(shè)計(jì)并搭建了以355nm、532nm和1064nm波長(zhǎng)激光為激勵(lì)源的多波長(zhǎng)米散射激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了基于分色片和干涉濾光片的分光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同波段米散射信號(hào)的精細(xì)分離和有效提取。利用該系統(tǒng)對(duì)西安地區(qū)的大氣氣溶膠開(kāi)展初步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，反演獲得不同波長(zhǎng)下大氣氣溶膠廓線(xiàn)、光學(xué)厚度廓線(xiàn)以及A