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基于高光谱激光雷达的空气温度探测方法及仿真分析

基于高光谱激光雷达的空气温度探测方法及仿真分析

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作者：陈凯西安理工大学

学位级别：硕士

空气的近地面温度和地表温度是重要的气象数据之一,各种天气现象的产生、消失以及实时变化都与之密切相关。空气温度直接影响着包括农业生产、人类活动在内的方方面面。激光雷达作为一种主动遥感探测工具,可以实现高时间和空间分辨率的... 详细信息

空气的近地面温度和地表温度是重要的气象数据之一,各种天气现象的产生、消失以及实时变化都与之密切相关。空气温度直接影响着包括农业生产、人类活动在内的方方面面。激光雷达作为一种主动遥感探测工具,可以实现高时间和空间分辨率的大气温度探测。依据Rayleigh散射谱宽与温度的依存关系,实现大气温度探测的高光谱激光雷达得到广泛应用。本论文主要针对现有空气温度探测手段无法避免来自太阳、地面的辐射影响的问题,从温度的物理概念出发,提出并设计了一种基于高光谱激光雷达的空气温度探测系统,通过对探测对象(Rayleigh-Brillouin散射光谱建模)、扫描分光器件(扫描分光系统关键参数设计)、探测过程和结果(理论计算和Zemax光学扫描仿真)的研究对探测系统进行了设计分析及仿真验证。本文首先对空气分子的散射谱分布进行了数学建模,得到了Rayleigh-Brillouin散射在不同温度和压力下的谱型。着重研究S6和G3两种散射模型对于Rayleigh分量和Brillouin分量分离效果,针对空气温度反演的精度要求,对G3模型分离的Rayleigh分量进行了特别优化,优化了G3模型的四个系数,使得Rayleigh分量的谱型误差在y=0.346时小于0.03%,随着值增大,误差也随之增加,在:y=1.481时,误差仍然小于0.30%,满足了对温度反演的精度要求。其次,本文完成了对共焦腔球面Fabry-Perot干涉仪作为扫描分光系统核心器件的参数设计,并分析了干涉仪参数对温度反演造成的影响。通过对比理论计算结果和用Zemax光学软件对共焦腔球面Fabry-Perot干涉仪透过率函数谱线的仿真结果,分析了入射角对共焦腔球面Fabry-Perot干涉仪透过率谱线的影响,光线的入射角应保持在0～1.07°之间。最后完成了探测系统的理论分析,并对压力、风速、Mie散射三种影响因素进行了评价。用Zemax软件模拟了干涉仪对真实空气环境下的散射谱的扫描过程,将扫描结果和理论计算对比,分析了卷积过程对探测结果的影响,针对其影响提出了对探测结果的反卷积计算方法,该方法减小了干涉仪在卷积过程中对探测结果的影响。运用将扫描结果代入G3模型公式计算y值的方法,成功反演出空气温度T,反演温度误差在±1.25K内。

关键词：空气温度高光谱激光雷达 Rayleigh-Brillouin散射共焦腔球面扫描干涉仪 Zemax

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