氣溶膠光學特性的偏振激光雷達探測方法與實驗研究.pdf

1、大氣氣溶膠是指由大氣介質和懸浮于其中的固體或液體微粒所組成的多相體系，對人類健康和生態(tài)環(huán)境有著非常重要的影響。退偏比、雷達比和波長指數(shù)是激光雷達探測氣溶膠時的重要物理參數(shù)，可采用偏振激光雷達、拉曼激光雷達和多波長激光雷達等設備進行實驗探測。然而，目前的研究大多是針對單個參數(shù)獨立進行，缺少必要的交叉。因此，本課題以偏振激光雷達探測氣溶膠物理參數(shù)技術為手段，開展退偏比、雷達比和波長指數(shù)及其相關性的研究，對改善氣溶膠物理及光學特性精細反演技術

2、，揭示三者之間的內在相關杇性，推動偏振激光雷達綜合探測氣溶膠物理特性技術的發(fā)展具有重要的科學研究意義及應用價值。
　　論文以米散射理論和氣溶膠粒譜分布為基礎，仿真分析了水云、霧和大陸型氣溶膠的雷達比和波長指數(shù)，研究了二者與氣溶膠組分及入射光波長之間的關系。仿真結果表明，水云和霧在355nm，532nm和1064nm的雷達比均在19sr左右，不同波長的消光系數(shù)基本一致；大陸型氣溶膠的雷達比與其中soot型氣溶膠的含g正相關，其波指數(shù)

3、的平均值為1.3，可為激光雷達數(shù)據(jù)反演和氣溶膠光學特性分析提供科學數(shù)據(jù)。
　　為改善系統(tǒng)探測性能，針對同軸米散射激光雷達，提出了以特定區(qū)間內距離平方校正信號的積分作為準直判據(jù)的方法。以準值判據(jù)最大化為目標，采用變步長調節(jié)算法，設計了高精度快速自準直系統(tǒng)，調節(jié)精度可達0.05mrad，提高了激光雷達系統(tǒng)可操作性，為實現(xiàn)探測的自動化和無人值守提供了技術支撐。
　　分析了氣溶膠退偏比、雷達比和波長指數(shù)的相關性，發(fā)現(xiàn)了特定種類氣溶膠

4、與三者的對應關系，并以雙波長微脈沖偏振激光雷達系統(tǒng)為研究對象，提出了精細求解雙波長偏振激光雷達方程的反演方法，該方法通過反證有效保證了數(shù)據(jù)處理的有效性和可靠性，實現(xiàn)了氣溶膠光學特性的精細反演。
　　采用模擬探測技術，研發(fā)了一臺便攜式人眼安全可三維掃描的微脈沖偏振激光雷達，實現(xiàn)了近地表氣溶膠高密度聚集區(qū)域內，高增益人動態(tài)范圍人氣回波信號的有效探測。針對西安地區(qū)開展了氣溶膠形態(tài)特性的實驗研究，通過俯仰掃描探測，實現(xiàn)了近地表80～100

5、0米范圍內氣溶膠退偏比的有效探測，驗證了系統(tǒng)設計及算法的可行性，對城市底層氣溶膠的產生、傳輸及擴散特性研究具有重要的意義。
　　針對Femald法求解米散射激光雷達方程需要設定雷達比的問題，提出了以激光雷達有效探測范圍內氣溶膠光學厚度為收斂判據(jù)，采用二分法迭代反演低層氣溶膠雷達比的新方法。該方法僅利用激光雷達米散射回波信號和太陽光度計觀測數(shù)據(jù)即可有效反演低層氣溶膠的雷達比，消除了雷達比假設引起的不確定誤差，提高了激光雷達方程的反演