基于分子滤波器和Fe玻尔兹曼方法的高低空测风测温激光雷达系统
多普勒激光雷达作为一种主动式光学遥感设备,具有实时性好、探测灵敏度高等优点,可以连续进行高时空分辨率的大气风场、温度等的垂直剖面探测,为中层、中高层大气探测提供了有效手段。本文研究内容包括基于分子滤波器的高低空多普勒测风、测温激光雷达系统软件开发和探测方法研究,以及中高层(30-115 km)Fe玻尔兹曼测温激光雷达改进系统研制。
本文从车载多普勒测风激光雷达业务化运行的需求出发,采用模块化的程序设计思想,设计并完成了界面友好、功能强大的激光雷达业务化软件——数据采集、处理及控制软件(DAAS)。结合雷达系统的具体性能参数,制定了各种数据产品的测量流程及数据存储格式等,实现了风廓线、径向风速PPI、径向风速RHI及海面风场等多种数据产品的业务化测量,为我国第一台车载测风激光雷达的研制和业务化应用作出了重要科学贡献。
为提高测风激光雷达的风场测量精度,本文对径向风速测量的三大前提假设(大气水平均匀、垂直风为零及各个方向灵敏度相同)进行了详细分析和理论计算,计算出了每个前提假设对径向风速测量精度的影响,指出了目前的径向风速反演方法的局限性和适用范围。
为了同时获取中高层大气的风场和温度,本文采用基于Na-DEMOF双边缘鉴频技术的多普勒测风、测温激光雷达,同时测量了10-50 km的大气风场和温度。本文对Na-DEMOF的测量原理及结构进行了详细的论述,并编写完成了基于LabVIEW的数据采集软件,同时反演得到了大气风场和温度。
为了研究全球热力系统、大气动力学、重力波等大气现象,Chu et al.于1999年研制完成了一台Fe玻尔兹曼测温激光雷达系统,并于1999-2001和2002-2005分别在南极洲的Amundsen-Scott(90°S)科考站和Rothera科考站(67.5°S)进行了长期观测。本文在原有系统的基础上对发射系统和接收系统进行了升级和改进,结合系统的具体光学结构和性能参数,采用更改Pinhole大小来匹配发射角和视场角,以及Fabry-Perot标准具与窄带干涉滤光片相结合的方法,有效的滤除了白天背景光,实现了白天探测。
为了提高脉冲激光器的稳定性和光束质量,更换了种子激光器,设计完成了种子注入及种子激光器稳频系统。采用高精度的波长计、PID控制方法以及FlipperMirror相结合,实现了利用一台波长计和扫描Fabry-Perot干涉仪交替控制和监测两台种子激光器,同时编写完成了基于LabVIEW的数据采集软件。升级后的Fe玻尔兹曼测温激光雷达系统在美国Boulder进行了前期测试,实现了全天候24小时30-115 km温度和75-115 km Fe原子数密度测量。该系统已于2010年10月运往南极McMurdo科考站(78°S,167°E)进行为期3年的科学观测。
激光雷达;分子滤波器;软件开发;Fe玻尔兹曼;风场测量;稳频系统
中国海洋大学
博士
海洋信息探测与处理
刘智深;Pof.Xinzhao Chu
2011
中文
TN958.98;TP311.52
141
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）