双视场零盲区激光雷达的研制及应用

发布时间：2023-01-31 19:35

　　激光雷达是一种主动遥测气溶胶空间分布的技术,具有高时空间分辨率的特点。但是,由于传统米散射激光雷达“几何因子”效应,常存在较大的盲区和过渡区,无法获取近地面气溶胶分布。本文结合双视场的光学技术,通过算法探索,实现了气溶胶在水平和垂直方向上无盲区的观测。本论文详细介绍了双视场零盲区激光雷达的光学设计、结构设计、电子学设计,给出了系统技术参数。介绍了双视场雷达信号拼接的方法和流程,在获取了整条雷达信号之后,探索了该激光雷达反演气溶胶空间分布的算法。对气溶胶的垂直分布,采用传统的“Fernald方法”。对气溶胶水平分布,提出“斜率-Fernald”方法,实现了水平消光系数高精度的反演,该方法有效避免了传统纯粹“斜率法”中大气均匀的前提假设和消光系数负值的问题,也有效避免了纯粹“Fernald方法”对参考点的限制和要求。为确保激光雷达的外场应用和业务化观测,文中提出了激光雷达核心性能指标的质控方法。开展了与探空气球的比对实验研究,验证了零盲区观测气溶胶的过程。将该双视场激光雷达应用大气气溶胶城市外场探测,实现了 15km以内的高分辨率气溶胶剖面探测。通过拟合激光雷达测量有效范围内的近地面空气质... 

【文章页数】：146 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 大气气溶胶概述
    1.2 激光雷达分类
        1.2.1 大气分子探测激光雷达
        1.2.2 气溶胶和云探测激光雷达
        1.2.3 多普勒激光雷达
    1.3 激光雷达技术进展
    1.4 激光雷达观测应用
    1.5 本项研究的必要性
第2章 双视场激光雷达系统的研制
    2.1 总体研制目标与思路
        2.1.1 激光雷达盲区存在的原理
        2.1.2 零盲区雷达的光学设计原理
    2.2 双视场激光雷达系统整体设计
        2.2.1 系统设计
        2.2.2 系统参数
    2.3 子系统单元介绍
        2.3.1 激光发射单元
        2.3.2 光学收发单元
        2.3.3 扫描云台单元
        2.3.4 数据采集单元
        2.3.5 数据采集软件
        2.3.6 数据分析软件
    2.4 小结
第3章 双视场和激光雷达系统的数据处理
    3.1 激光雷达数据处理流程
    3.2 激光雷达雷达原始信号评价
    3.3 双视场激光雷达原始信号拼接
        3.3.1 双视场信号拼接流程
        3.3.2 双视场信号拼接举例
    3.4 双视场激光雷达垂直消光系数反演
    3.5 双视场激光雷达水平消光系数反演
    3.6 双视场激光雷达其他数据产品反演
        3.6.1 退偏振度系数反演
        3.6.2 边界层高度反演
        3.6.3 水平能见度反演
        3.6.4 颗粒物质量浓度反演
    3.7 双视场激光雷达与米散射激光雷达观测比对
        3.7.1 实验设计
        3.7.2 比对结果
    3.8 小结
第4章 双视场激光雷达质量控制方法
    4.1 系统性能指标检测要求
        4.1.1 激光发射波长偏差
        4.1.2 探测距离偏差
        4.1.3 系统线性度
        4.1.4 探测盲区
        4.1.5 过渡区
        4.1.6 信噪比
        4.1.7 有效探测距离
        4.1.8 接收横截面四象限均匀性
        4.1.9 大气瑞利散射信号拟合偏差
        4.1.10 探测信号一致性
        4.1.11 退偏振比一致性
        4.1.12 通道增益校正后的差异
        4.1.13 有效数据率
    4.2 其他指标检测方法
        4.2.1 单脉冲能量
        4.2.2 背景基线特征
        4.2.3 通道线性特征
    4.3 与探空气球比对观测
        4.3.1 观测地点介绍
        4.3.2 参比设备介绍
        4.3.3 数据筛选与处理
        4.3.4 探空比对结果分析
    4.4 小结
第5章 双视场激光雷达对城市地区气溶胶的观测
    5.1 城市区域垂直观测结果(江苏·无锡)
        5.1.1 观测点位及参数描述
        5.1.2 垂直观测时空分布结果
        5.1.3 不同时刻垂直剖面对比
    5.2 气溶胶水平分布观测(山东·济宁)
        5.2.1 观测点位布局描述
        5.2.2 水平气溶胶扫描监测结果
        5.2.3 不同过顶时刻的水平廓线比对
        5.2.4 水平连续扫描监测结果
        5.2.5 水平扫描结果分析
        5.2.6 气溶胶质量浓度水平分布
    5.3 气溶胶水平分布——污染溯源(山东·潍坊)
        5.3.1 激光雷达点位设置
        5.3.2 激光雷达扫描结果
        5.3.4 污染团迁移观测结果
    5.4 小结
第6章 双视场激光雷达的走航观测应用
    6.1 双视场激光雷达走航观测应用需求及关键技术
        6.1.1 走航观测系统应用需求
        6.1.2 走航系统关键技术
    6.2 双视场激光雷达走航改装要求
        6.2.1 车载双视场激光雷达改装配置清单
        6.2.2 双视场激光雷达车载改装系统框图
        6.2.3 软件系统部署
    6.3 车载走航系统改装效果图
    6.4 双视场激光雷达走航观测结果
        6.4.1 山东青岛胶州开发区走航观测
        6.4.2 山东潍坊走航观测
        6.4.3 中国国际进口博览会保障观测
    6.5 小结
第7章 论文总结和展望
    7.1 论文总结
    7.2 论文创新性
    7.3 下一步工作展望
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


【参考文献】：
期刊论文
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[2]星载大气痕量气体差分吸收光谱仪设计及标定技术[J]. 周海金,赵敏杰,江宇,黄书华,薛辉,司福祺.  上海航天. 2019(S2)
[3]国内外细颗粒物监测评价方法对比及启示[J]. 李桂玲.  环境保护科学. 2019(03)
[4]大气探测激光雷达噪声比例因子及信噪比的估算[J]. 邓潘,张天舒,陈卫,刘建国,刘洋.  红外与激光工程. 2016(S1)
[5]对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统[J]. 王玉峰,高飞,朱承炫,何廷尧,华灯鑫.  光学学报. 2015(03)
[6]差分吸收激光雷达监测北京灰霾天臭氧时空分布特征[J]. 范广强,张天舒,付毅宾,董云升,陈臻懿,刘建国,刘文清.  中国激光. 2014(10)
[7]激光雷达的应用及发展趋势[J]. 赵一鸣,李艳华,商雅楠,李静,于勇,李凉海.  遥测遥控. 2014(05)
[8]探测武汉上空大气气溶胶的双视场激光雷达[J]. 李俊,龚威,毛飞跃,张金业.  光学学报. 2013(12)
[9]基于CALIPSO和转动拉曼-米散射激光雷达研究北京地区大气气溶胶特性[J]. 张寅超,李丹,陈炳龙,陈思颖,陈和,郭磐.  北京理工大学学报. 2013(06)
[10]我国大气污染联防联控环境监管模式的战略转型[J]. 柴发合,李艳萍,乔琦,王淑兰.  环境保护. 2013(05)

博士论文
[1]大气温度及气溶胶激光雷达探测技术研究[D]. 刘君.西安理工大学 2008

硕士论文
[1]激光雷达精细探测大气气溶胶研究[D]. 高飞.西安理工大学 2008



本文编号：3733941