激光雷達(dá)技術(shù)在氣象中的應(yīng)用

《激光雷達(dá)技術(shù)在氣象中的應(yīng)用》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。

1、激蕪雷達(dá)禰夂激光雷達(dá)技術(shù)在氣象中的應(yīng)用摘要激光束與大氣物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生回波信號是大氣探測激光雷達(dá)進(jìn)行大氣探測的關(guān)鍵。激光雷達(dá)探測大氣環(huán)境的工作原理是激光器發(fā)射的激光通過與大氣中的氣溶膠及各種大氣成分的作用而產(chǎn)生后向散射信號。對探測器接收的攜帶著被測物質(zhì)冇關(guān)的信息（吸收、散射等）進(jìn)行分析處理便可得到所需的大氣物理要索（如大氣消光系數(shù)、速度、密度等）。木文主耍介紹了激光雷達(dá)在氣象耍索即大氣溫度、大氣濕度和風(fēng)速中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)氣象要素溫度風(fēng)速口錄一.弓丨言3二.激光雷達(dá)在大氣溫度檢測中的應(yīng)用42.1基于瑞利散射的大氣溫度檢測研究42.1.1基丁?測量瑞利散射回波能量的方法4

2、2.1.2基于測量瑞利散射半高線寬的方法52.2基于拉曼散射的大氣溫度檢測研究62.2.1基于轉(zhuǎn)動拉曼散射的方法62.2.2基于振動拉曼散射的方法7一.激光雷達(dá)在大氣濕度中的應(yīng)用7二.激光雷達(dá)在風(fēng)速檢測中的應(yīng)用7三.參考文獻(xiàn)9四.心得體會9?引言激光雷達(dá)系統(tǒng)從整體上可分為激光發(fā)射、回波信號接收和采集以及控制三大部分。激光束與大氣物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生［Hl波信號是大氣探測激光雷達(dá)進(jìn)行大氣探測的關(guān)鍵。激光雷達(dá)探測大氣環(huán)境的工作原理是激光器發(fā)射的激光通過與大氣中的氣溶膠及各種大氣成分的作用而產(chǎn)生后向散射信號。對探測器接收的攜帶著被測物質(zhì)冇關(guān)的信息（吸收、散射等）進(jìn)行分析處理便可得到所需的

3、大氣物理要索（如大氣消光系數(shù)、速度、密度等）。在大氣環(huán)境污染觀測中有關(guān)風(fēng)速、氣溫、濕度等氣象要素是不可缺少的重要參數(shù)，所以可以將激光雷達(dá)技術(shù)在氣象中的應(yīng)用按其要素分為在大氣溫度檢測小的應(yīng)用、在大氣濕度檢測屮的應(yīng)用、在風(fēng)速檢測中的應(yīng)用。二.激光雷達(dá)在大氣溫度檢測中的應(yīng)用在進(jìn)行大氣物理特性測試、天氣預(yù)報(bào)相關(guān)大氣參數(shù)的獲取以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中,大氣溫度是至關(guān)重要的一個參數(shù)。大氣溫度及其分布的相關(guān)信息的準(zhǔn)確獲取,對正確評估大氣物性及其變化趨、！對流活動、云層狀態(tài)等-?系列構(gòu)成大氣復(fù)朵系統(tǒng)的參量，貝有及其重要和最基木的意義。目而大氣溫度探測較成功的系統(tǒng)有瑞利散射激光雷達(dá)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)動拉曼散射激

4、光雷達(dá)系統(tǒng)，理論及已發(fā)表的研究成果表明，這兩種系統(tǒng)是在理論和實(shí)際應(yīng)用上都各有優(yōu)勢、物理上可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。2.1基于瑞利散射的大氣溫度檢測研究瑞利散射是一種中心波長與入射激光波長相同,譜寬依存大氣溫度變化的彈性散射，它是由散射體粒徑比激光波長小的分子或原子引起的散射現(xiàn)象，主要用于大氣溫度、大氣分子密度等參數(shù)的測量。2.1.1基于測量瑞利散射回波能量的方法基于測量瑞利散射回波能量方法的瑞利散射激光雷達(dá)口J實(shí)現(xiàn)對人氣溫度的探測。目前國際上利用激光雷達(dá)探測大氣溫度大多是利用該方法，如加拿大WesternOntario大學(xué)的瑞利散射激光雷達(dá)系統(tǒng)、美國通訊研究實(shí)驗(yàn)室(CRL)的瑞利散射激光雷達(dá)

5、系統(tǒng)等。這類激光雷達(dá)以理想氣體方程和流體靜力學(xué)方程為理論基礎(chǔ)，利用了大氣分子的瑞利散射與大氣溫度的關(guān)系來探測大氣溫度剖面。其主要思想是:⑴認(rèn)為30km以上的人氣回波主要是分子瑞利散射信號，忽略氣溶膠粒子的散射;(2)假設(shè)已知某一高度上的人氣密度，可得到大氣密度分布;(3)結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程和大氣靜力學(xué)方程求得大氣溫度。然而研究表明，在30knl以下的高度,難以進(jìn)行精確的測量，其原因主要是由于低空氣溶膠的存在，干擾了大氣分子瑞利散射的測量。因此采用此方法的瑞利散射激光雷達(dá)只能測量30一90km高度的大氣溫度剖面，而不適于低空測量。2.1.2基于測量瑞利散射半高線寬的方法研究表明，

6、大氣分子的瑞利散射譜的寬度(半波長線寬,FWHH)是溫度的直接函數(shù)，即散射譜的FWHH近似正比于大氣溫度的平方根。根拯這一理論，通過測量出瑞利散射的FWHH即可得到大氣的溫度。這種方法是一種頻域測量的方法，由于米氏散射的FWHH非常窄，通常只有幾十MHz,而瑞利譜的FWHH要遠(yuǎn)大于米氏散射譜的FWHH,大約在IGHz左右,因此該方法可以在頻域上有效濾除氣溶膠產(chǎn)生的米氏散射干擾，使得瑞利激光雷達(dá)在30km以卜?也能夠得到應(yīng)用。瑞利散射譜的FWHH的通常能夠通過分子吸收濾波器測得，通常使用碘分子1109吸收線作為邊緣濾波器。若使激光出射頻率掃描1109吸收線，則不同高度、不同溫度的大

7、氣后向散射光通過碘吸收池后，將產(chǎn)生不同的透過率強(qiáng)度，以此來達(dá)到檢測溫度的口的。所謂測量相對透射率即把大氣后向散射光分成兩部分，一路由探測器直接測量，另一路通過碘濾波器后被探測器接收，兩路比值即可得到相對透射率。然而，大氣瑞利散射譜的FWHH不僅僅與溫度冇關(guān)，而且和氣壓也冇一定的關(guān)系。隨著氣壓的增大，散射譜屮碰撞展寬所片的比例也就越大，散射分量就越多大。特別在低空大氣中，大氣瑞利散射譜的FWHH就不再嚴(yán)格正比于溫度的平方根，而是存在比較大的偏差。這樣使得探測的精度不高，大約只有5K