地基激光雷达对临近空间大气的探测研究

摘要

临近空间是20km～100km高度的空间区域，其独特的资源优势已成为各国关注的热点和焦点，开展临近空间大气环境的特殊性研究，对临近空间飞行器技术发展具有十分重要的意义。基于瑞利散射原理的瑞利激光雷达可对临近空间高度大气开展高时空分辨率的连续精确观测，是探测和研究临近空间大气参数结构及变化趋势的有效手段。
　　中科院安光所环境光学监测技术重点实验室构建了瑞利散射激光雷达系统，对我国西北某地临近空间高度大气进行了长期持续观测。本文分析研究了瑞利激光雷达数据反演方法，对瑞利激光雷达系统性能进行了验证评估，并采用该套瑞利激光雷达系统对观测地临近空间高度(20km～40km)大气进行了观测和研究，获得以下结果。
　　构建了532nm单接收口径瑞利激光雷达系统，得到了观测地临近空间高度(20km～40km)的大气密度、压力和温度廓线。将瑞利激光雷达数据与观测地球载探空数据、风云三号（FY-3C）卫星数据、NRLMSISE-00大气模式和美国标准大气模式数据进行对比，验证了激光雷达探测性能及算法的可靠性。
　　对反演算法中可能引入的误差，从臭氧和气溶胶的影响、统计误差和参考点的选取三方面进行了分析。重点对反演过程中参考点对反演精度的影响进行了分析研究。研究发现不同参考模型数据对瑞利激光雷达数据反演结果具有较大影响;同一参考模型不同参考高度对大气密度和压力反演结果影响不大，在不同参考高度下反演所得的大气温度差异较大。
　　为提高激光雷达系统数据稳定性和回波信噪比，改善大气参数反演精度，对532nm单接收口径瑞利激光雷达系统进行了优化改进。对参考点的数值计算方法进行了优化，降低大气分子密度初值的不确定性带来的影响。改进后的系统首次采用了紫外波段355nmNd∶YAG激光器和4只400mm口径卡塞格林式望远镜阵列接收天线。通过与改进前532nm单接收口径瑞利激光雷达系统探测结果对比，结果显示改进后的355nm激光雷达系统信噪比是532nm激光雷达系统的6倍，355nm激光雷达系统的大气密度及压力测量稳定性高于532nm激光雷达系统。355nm激光雷达系统探测大气温度与当日气球探空数据偏差均值约为-2.14K，532nm激光雷达系统探测大气温度与当日气球探空数据偏差均值约为-6.98K。改进后的355nm激光雷达系统大气探测性能明显优于532nm激光雷达系统。
　　利用瑞利激光雷达系统对观测地临近空间高度(20km～40km)大气密度、压力和温度实施近一年的连续观测，获得有效探测次数7247次，覆盖天数约合280天。通过与观测地区球载探空数据和大气模式数据的对比，对观测地临近空间高度大气密度、温度和压力的季节分布和年变化特征进行了分析研究。观测地临近空间高度(20km～40km)大气温度在5月～8月高于其他月份。30km～40km高度5月～8月和1月大气温度波动较大;20km～25km高度，3月～4月大气温度波动较大。观测地大气密度12月～次年2月大气密度值低于其他月份。36km～37km高度处5月～9月大气密度扰动相位有向上传播趋势，26km处9月～12月大气密度扰动相位有向下传播趋势。大气压力10月～次年2月较其他月份偏低。35km以上大气压力波动不大。20km～35km高度夏秋两季大气压力值高于大气压力年均值，冬春两季大气压力数值低于年均值。并基于瑞利激光雷达探测数据初步构建了观测地临近空间大气模型。通过对观测地临近空间大气分布特征的长期系统观测，为形成观测地临近空间大气参数数据库，开展临近空间天气预报工作及建立我国中高层大气模式提供了实测数据支持。

目录

声明

摘要

1．1 临近空间

1．1．2 临近空间的研究意义

1．2 临近空间大气环境特征及探测手段

1．2．1 临近空间大气环境特征

1．2．2 临近空间大气探测手段

1．3 临近空间大气环境研究状况

1．4 本文的研究内容

第2章 瑞利激光雷达大气探测技术

2．1 激光雷达大气探测基础

2．1．1 地球大气的结构和成分

2．1．2 激光和大气相互作用的机制

2．1．3 大气探测激光雷达系统结构与类型

2．1．4 大气监测激光雷达研究及发展状况

2．2 瑞利激光雷达原理

2．2．1 瑞利散射原理

2．2．2 激光雷达方程

2．3 瑞利激光雷达数据反演原理

2．4 小结

第3章 临近空间瑞利激光雷达系统

3．1 系统结构和参数

3．2 激光发射部分

3．3 信号接收部分

3．4 数据采集与控制部分

3．5 系统集成及调试

3．6 小结

第4章 瑞利激光雷达系统大气参数反演方法研究

4．1 瑞利激光雷达数据处理

4．1．1 反演流程

4．1．2 数据筛选

4．1．3 原始信号累积

4．1．4 背景噪声扣除

4．1．5 原始数据平滑

4．1．6 信噪比估算

4．1．7 参考点选取

4．2 瑞利激光雷达探测性能评估

4．2．1 与大气模式值的对比分析

4．2．2 与球载探空数据的对比分析

4．2．3 与卫星数据的对比分析

4．3 误差分析

4．3．1 臭氧和气溶胶的影响

4．3．2 统计误差

4．3．3 参考点参数引起的误差

4．4 小结

第5章 对瑞利激光雷达大气探测的优化改进

5．1 参考点的优化

5．2 系统的改进

5．2．1 选用355nm波长探测

5．2．2 使用望远镜阵列

5．2．3 光栅滤光器的改进

5．2．4 改进后系统性能

5．3 改进前后瑞利激光雷达系统的性能对比

5．4 小结

第6章 观测地临近空间全年大气数据分析

6．1 实验数据

6．2 观测地临近空间大气温度观测结果及变化趋势

6．3 观测地临近空间大气密度观测结果及变化趋势

6．4 观测地临近空间大气压力数据观测结果及变化趋势

6．5 观测地临近空间大气环境模式初步构建

6．6 小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果