氣溶膠光學(xué)特性的偏振激光雷達(dá)探測(cè)方法與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、大氣氣溶膠是指由大氣介質(zhì)和懸浮于其中的固體或液體微粒所組成的多相體系，對(duì)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(dá)比和波長指數(shù)是激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠時(shí)的重要物理參數(shù)，可采用偏振激光雷達(dá)、拉曼激光雷達(dá)和多波長激光雷達(dá)等設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探測(cè)。然而，目前的研究大多是針對(duì)單個(gè)參數(shù)獨(dú)立進(jìn)行，缺少必要的交叉。因此，本課題以偏振激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠物理參數(shù)技術(shù)為手段，開展退偏比、雷達(dá)比和波長指數(shù)及其相關(guān)性的研究，對(duì)改善氣溶膠物理及光學(xué)特性精細(xì)反演技術(shù)

2、，揭示三者之間的內(nèi)在相關(guān)杇性，推動(dòng)偏振激光雷達(dá)綜合探測(cè)氣溶膠物理特性技術(shù)的發(fā)展具有重要的科學(xué)研究意義及應(yīng)用價(jià)值。
　　論文以米散射理論和氣溶膠粒譜分布為基礎(chǔ)，仿真分析了水云、霧和大陸型氣溶膠的雷達(dá)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(guān)系。仿真結(jié)果表明，水云和霧在355nm，532nm和1064nm的雷達(dá)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(dá)比與其中soot型氣溶膠的含g正相關(guān)，其波指數(shù)

3、的平均值為1.3，可為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演和氣溶膠光學(xué)特性分析提供科學(xué)數(shù)據(jù)。
　　為改善系統(tǒng)探測(cè)性能，針對(duì)同軸米散射激光雷達(dá)，提出了以特定區(qū)間內(nèi)距離平方校正信號(hào)的積分作為準(zhǔn)直判據(jù)的方法。以準(zhǔn)值判據(jù)最大化為目標(biāo)，采用變步長調(diào)節(jié)算法，設(shè)計(jì)了高精度快速自準(zhǔn)直系統(tǒng)，調(diào)節(jié)精度可達(dá)0.05mrad，提高了激光雷達(dá)系統(tǒng)可操作性，為實(shí)現(xiàn)探測(cè)的自動(dòng)化和無人值守提供了技術(shù)支撐。
　　分析了氣溶膠退偏比、雷達(dá)比和波長指數(shù)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)了特定種類氣溶膠

4、與三者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并以雙波長微脈沖偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了精細(xì)求解雙波長偏振激光雷達(dá)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(shí)現(xiàn)了氣溶膠光學(xué)特性的精細(xì)反演。
　　采用模擬探測(cè)技術(shù)，研發(fā)了一臺(tái)便攜式人眼安全可三維掃描的微脈沖偏振激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了近地表氣溶膠高密度聚集區(qū)域內(nèi)，高增益人動(dòng)態(tài)范圍人氣回波信號(hào)的有效探測(cè)。針對(duì)西安地區(qū)開展了氣溶膠形態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究，通過俯仰掃描探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了近地表80～100

5、0米范圍內(nèi)氣溶膠退偏比的有效探測(cè)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及算法的可行性，對(duì)城市底層氣溶膠的產(chǎn)生、傳輸及擴(kuò)散特性研究具有重要的意義。
　　針對(duì)Femald法求解米散射激光雷達(dá)方程需要設(shè)定雷達(dá)比的問題，提出了以激光雷達(dá)有效探測(cè)范圍內(nèi)氣溶膠光學(xué)厚度為收斂判據(jù)，采用二分法迭代反演低層氣溶膠雷達(dá)比的新方法。該方法僅利用激光雷達(dá)米散射回波信號(hào)和太陽光度計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)即可有效反演低層氣溶膠的雷達(dá)比，消除了雷達(dá)比假設(shè)引起的不確定誤差，提高了激光雷達(dá)方程的反演