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光谱学与光谱分析 2019年第10期39卷 3302-3307页

作者：刘延文孙学金张传亮李绍辉周永波李玉莲国防科技大学气象海洋学院江苏南京211101 国防大学联合作战学院河北石家庄050051

气温是描述大气状态的基本参数之一,温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器,已经用于气象要素的探测中(风、温度、气溶胶的光学厚度等)。目前,测温激光雷达主要有拉曼激光雷达(... 详细信息

气温是描述大气状态的基本参数之一,温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器,已经用于气象要素的探测中(风、温度、气溶胶的光学厚度等)。目前,测温激光雷达主要有拉曼激光雷达(振动和转动)、共振荧光激光雷达和rayleigh散射激光雷达等,拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器;共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度;基于rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量,反演温度时需要建立响应函数和校准程序;基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气rayleigh散射光谱来反演温度的方法,时间分辨率较低,并且该方法在测量过程中需要运动部件,所以不利于星载。在大气低层,分子的rayleigh散射光谱会受到brillouin散射的影响,两种散射信号叠加形成的rayleigh-brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布,直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度,会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响,所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量,提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的rayleigh-brillouin散射光谱进行测量,并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制,从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小,最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外,还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性,利用Matlab软件建立了一套仿真模型,通过模拟表明,在不考虑云、风和水汽含量的影响时,利用该方法测量对流层内的大气温度时,测量误差小于1K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量,在测量过程中不需要使用运动部件,有较高的使用价值,并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义,为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。

关键词：温度 rayleigh-brillouin散射 Fizeau干涉仪激光雷达

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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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