新型LED光源雷达大气气溶胶探测技术研究与实验观测

论文摘要

气溶胶作为重要的大气成分,对地气系统的辐射平衡、大气化学过程、能见度、气体成分以及空气质量等有着重要影响,其含量变化与人类的生活和生产息息相关,为了研究气溶胶的特性,需要对其时间和空间分布进行观测。LED光源雷达大气气溶胶探测技术,具有LED丰富的波长及较小距离的探测盲区的优势,对于研究气溶胶在不同波长下的光学特性以及在低空大气中的含量和时空分布特性,具有重要的学术意义与科学研究价值。论文针对底层不同波段下的大气气溶胶探测需求,提出并开展了基于LED光源的新型气溶胶探测雷达技术的研究。研究并设计了一种可用于气溶胶探测雷达的新型脉冲LED遥感光源,在此基础上,根据气溶胶Mie散射遥感探测原理,设计并研发了一套基于大功率LED光源的新型单波长雷达系统,并在西安上空开展气溶胶夜间观测实验与分析,获得了大气气溶胶的时空分布廓线,验证了该雷达系统的探测性能及可行性。为研究气溶胶光学与微物理特性的需要,提出并研制了一种基于白光LED光源的新型多波长气溶胶探测雷达系统,并在夜间开展了气溶胶的多波长同步观测实验。新型LED光源气溶胶探测雷达系统的研制,丰富了现有以脉冲激光为光源的光学主动遥感探测技术,也为大气环境监测和底层大气气溶胶的光学及微物理特性的研究提供了新的探测手段和方法。开展了大功率LED雷达探测光源的实现方法研究,针对大功率LED作为Mie散射雷达光源存在的连续发光、光束准直性差以及能量发散等问题,研究采用基于场效应管的脉冲恒流源电路,获得了峰值功率毫瓦级、脉宽200ns的LED脉冲光束,满足了光学雷达遥感探测的需求;研究了由全内反射式准直器与倒置开普勒望远镜结构相结合的准直扩束光路,将LED出射光线的发散角控制在11～25mrad范围内,解决了制约LED应用于遥感雷达的关键技术问题,为LED光源雷达技术的研究提供了技术保障。根据Mie散射大气气溶胶探测原理,研究并设计了一套基于LED光源的新型单波长雷达系统。主要设计了雷达发射与大气回波信号接收部分的耦合系统;研究分析了大发散角(11～25mrad)情况下,LED光源雷达系统几何重叠因子以及系统接收近距离处后向散射光线的特点,优化了系统的发散角与视场角,计算分析了该雷达系统的最低探测距离。利用美国标准大气模型,仿真分析了系统探测的信噪比及系统各器件参数对雷达夜间探测性能的影响,优化了系统参数,验证了设计的新型LED遥感光源能够用于气溶胶主动遥感探测雷达,同时从理论上验证了 LED光源雷达探测气溶胶的可行性。研制了一台LED光源的新型单波长雷达系统,并根据LED光源雷达近距离探测的特点,研究了 LED光源雷达回波信号数据预处理方法和气溶胶消光系数的反演算法。利用530nm波长开展了夜间水平观测实验,对系统可行性及实验结果的可靠性进行验证。开展了夜间多波长分时垂直观测实验,首次获得了西安城区上空300m高度内475nm、530nm、625nm波长的大气回波信号,并反演得到各波长下气溶胶消光系数的垂直分布廓线。通过夜间连续观测实验,得到530nm波长距离平方校正信号和气溶胶消光系数的THI图,研究分析了低空大气气溶胶含量随时间的变化特征。提出了一种基于白光LED光源雷达的新型气溶胶多波长同步探测方法,开展了多波长光谱信号的精细分光与信号提取方法研究,根据气溶胶微物理特性探测需求,借助二向色镜和干涉滤光片,对4个波长(450nm、525nm、600nm和661nm)的光谱信号进行分光,实现了不同波段Mie散射回波信号的分离和提取。完成了白光LED光源雷达气溶胶多波长同步探测系统的研制,开展了夜间初步观测实验,反演获得4个波长300m高度内气溶胶消光系数廓线,利用该系统进行了夜间连续观测实验,借助THI图对近地面大气气溶胶浓度随时间的变化情况进行了详细的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 大气气溶胶探测方法及国内外研究现状
•     1.2.1 直接探测
•     1.2.2 遥感探测
•   1.3 论文主要研究工作
• 2 新型LED光源雷达的大气气溶胶探测原理
•   2.1 LED光源雷达遥感大气气溶胶的物理基础
•     2.1.1 光束与大气物质的相互作用
•     2.1.2 大气气溶胶的Mie散射原理
•   2.2 LED光源雷达探测气溶胶技术基本原理
•     2.2.1 大功率LED光源概述
•     2.2.2 LED光源雷达的基本原理
•   2.3 LED光源雷达的数据反演方法
•     2.3.1 斜率法
•     2.3.2 Klett法
•     2.3.3 Fernald法
•   2.4 系统信噪比
•   2.5 本章小结
• 3 LED雷达遥感的光源技术研究
•   3.1 LED光源选型
•   3.2 LED脉冲恒流源驱动技术研究
•     3.2.1 脉冲恒流源及其参数
•     3.2.2 两种脉冲电路的选择
•     3.2.3 基于场效应管的LED脉冲恒流源设计
•     3.2.4 脉冲恒流源电路仿真与实验
•   3.3 LED光线准直技术研究
•     3.3.1 光学扩展量守恒
•     3.3.2 全内反射式准直器模型
•     3.3.3 二级准直光学系统设计
•     3.3.4 准直光路仿真与实验
•   3.4 LED遥感光源设计结果
•   3.5 本章小结
• 4 Mie散射LED光源雷达的系统设计与仿真分析
•   4.1 LED光源雷达系统及其性能影响因素
•   4.2 重叠因子分析
•   4.3 最近探测距离分析
•   4.4 雷达系统数值仿真分析
•     4.4.1 光源峰值功率对系统信噪比的影响
•     4.4.2 脉冲宽度对系统信噪比的影响
•     4.4.3 脉冲重复频率对系统信噪比的影响
•     4.4.4 望远镜口径对系统信噪比的影响
•     4.4.5 探测器暗电流对系统信噪比的影响
•     4.4.6 探测器效率对系统信噪比的影响
•     4.4.7 参数优化与分析
•   4.5 LED光源雷达系统研制
•     4.5.1 LED光源发射系统
•     4.5.2 光学接收系统设计
•     4.5.3 信号检测与数据采集系统
•   4.6 本章小结
• 5 LED光源雷达观测大气气溶胶实验与分析
•   5.1 数据预处理
•   5.2 系统测试与验证实验
•     5.2.1 系统测试实验
•     5.2.2 系统验证实验
•   5.3 多波长分时垂直观测实验
•     5.3.1 轻度污染天观测结果
•     5.3.2 中度污染天观测结果
•     5.3.3 重度污染天观测结果
•   5.4 单波长垂直连续观测实验
•   5.5 本章小结
• 6 白光LED光源雷达的多波段大气气溶胶探测
•   6.1 白光LED光源雷达系统构成
•   6.2 白光LED遥感光源设计
•   6.3 白光LED光源雷达接收系统设计
•   6.4 白光LED光源雷达分光系统设计
•     6.4.1 多通道分光系统方案
•     6.4.2 多通道分光光路设计
•   6.5 多通道数据采集系统
•     6.5.1 硬件设计
•     6.5.2 软件设计
•   6.6 大气气溶胶多波长初步观测实验
•   6.7 本章小结
• 7 总结与展望
•   7.1 全文内容总结
•   7.2 论文创新点
•   7.3 后期工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间主要研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 钟文婷

导师: 华灯鑫,刘君

关键词: 遥感,光源雷达,气溶胶,散射,消光系数

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 气象学,电信技术

单位: 西安理工大学

基金: 国家自然科学基金(编号:41575035)

分类号: P412.25;TN958

DOI: 10.27398/d.cnki.gxalu.2019.000016

总页数: 121

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