【摘 要】
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气溶胶作为大气首要污染物,对能见度、农作物生产、人体健康等方面影响显著,如何精确、客观、科学地获取气溶胶光学特性和时空分布特征具有重要的研究意义。传统的气溶胶监测主要依靠有限的大气质量监测站点和卫星遥感,对于小范围内由人为活动产生的气溶胶的来源、传输以及分布状况探究,无法提供准确有效的监测数据。激光雷达通过激光在大气传输过程中与气溶胶相互作用,生成携带光学信息的后向散射信号,使用相关算法反演出气溶
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气溶胶作为大气首要污染物,对能见度、农作物生产、人体健康等方面影响显著,如何精确、客观、科学地获取气溶胶光学特性和时空分布特征具有重要的研究意义。传统的气溶胶监测主要依靠有限的大气质量监测站点和卫星遥感,对于小范围内由人为活动产生的气溶胶的来源、传输以及分布状况探究,无法提供准确有效的监测数据。激光雷达通过激光在大气传输过程中与气溶胶相互作用,生成携带光学信息的后向散射信号,使用相关算法反演出气溶胶消光系数的时间-高度-浓度伪彩图,结合风向风速等条件对污染现象进行系统分析。激光雷达具有分辨率高、体积小、可靠性高、抗有源干扰能力强等特点,是探究近现代环境问题的重要手段。本文主要研究内容如下:研制了一套激光雷达系统,包括:搭建激光的发射和接收光学平台;基于雪崩光电二极管（Avalanche Photo Diode,APD）AD800-10搭建光电转换放大电路,实现增益稳定可调,使输出信号满足后续控制和运算电路要求;考虑到APD易受环境温度的影响,且工作温度过高会增加探测器的暗电流和系统噪声,以LTC1923芯片为核心搭建温控系统;通过数据采集卡及相应控制软件处理大气回波信号。为了降低激光雷达系统误差,提升信噪比（Signal-Noise Ratio,SNR）,对接收的原始信号作预处理。利用实验法对几何重叠因子进行校准,并采用分段处理的方式,对非突变的平稳信号进行经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）重构,处理后的信号与原始信号曲线变化趋势一致且更加平滑。传统的激光对光操作依赖工作人员手动调试,工作效率和精度不高。本文设计了一套自动对光系统,通过软件评分模块寻找最佳工作点,实现远程激光对光操作,且不需要使用CCD相机,保证精度和效率的同时降低设计成本。温控实验结果表明,实际温度稳定在设定值±0.1℃之内,基本满足系统设计要求。采用固定垂直、移动走航、平面扫描三种监测模式将激光雷达系统运用到大气环境监测,通过现场取证对比,验证了激光雷达系统的可靠性。该激光雷达系统能够实时精确地捕获大气气溶胶分布与传输情况,为治理大气污染提供科技支撑。
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