论文部分内容阅读
大气风场是气象研究的必要参数之一,多普勒激光雷达能以较高的空间、时间分辨率探测大气三维风场,目前已成为风速测量的最有效途径之一。
多普勒激光雷达通过对大气分子运动——风所引起的多普勒频移的测定,从而反演获得风场数据。主要采用相干和非相干两种方法,相干探测法只能应用于气溶胶含量较高的低空区域;非相干即直接探测技术不受此限制,直接测量回波能量鉴别频移,但它需要获取气溶胶与大气分子的成分比——气溶胶后向散射比用以标定灵敏度。当前的测量方法中气溶胶后向散射比与风速分时测量,然而实际大气中气溶胶状态变化剧烈,非同步测得的数据无法准确描述测风时的大气情况,故必然引入误差。
本文分析了当前多普勒激光雷达灵敏度测量存在的问题,提出了解决方案。从激光雷达的后向散射光谱出发,在接收系统中增加新的接收通道,采用分光片与干涉滤光片提取非弹性散射谱——拉曼谱。基于拉曼谱为纯大气分子散射的特性,实时测算气溶胶后向散射比廓线,同时又能借助其本身的光谱性质反演气溶胶后向散射系数、消光系数或者温度等大气参量,拓展激光雷达的功能。
拉曼散射包括振动拉曼和纯转动拉曼两种散射,文中分别设计了振动拉曼和纯转动拉曼两套方案进行标定方法研究。对振动拉曼方案进行实验论证,描述了系统的搭建,开展实验。结果表明,系统可在测风的同时获取低空对流层(6、7km)以内的气溶胶后向散射比廓线,以进行多普勒激光雷达灵敏度的标定,并可获取气溶胶的消光系数、激光雷达比等参量。同时改进了气溶胶后向散射比的算法,并通过对新旧算法的反演结果比较验证了改进的意义。对纯转动拉曼方案进行模拟分析,描述了系统的构造,计算结果表明纯转动拉曼系统具备了可行性,为后续多普勒激光雷达的性能升级与气象应用奠定了理论基础。