mie散射大气激光雷达分析云层和大气边界层特性

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1、四川大学硕士学位论文声明本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作所取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所作的任何贡献均以在论文中作了详细的说明并表示感谢。本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文的成果归四川大学所有，特此声明。妊玻～御四川大学项士学位论文第一章引言1．1激光雷达简介1．1．1激光雷达发展简史激光雷达(LIDAR,

2、LightDetectionAndRanging)是传统雷达技术(以微波和毫米波段的电磁波作为载波的雷达)与现代激光技术相结合的产物。它是以激光器为辐射源，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的一种雷达。利用激光进行回波测距和定向，并通过位置、径向速度以及目标物体的反射特性来识别物体，激光雷达体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术，是一种极为有效的主动遥感工具。激光雷达经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展过程。1960年Maiman研制成世界上第一台红宝石固体激光器，激光技术开始作为一门崭新的技术令世人瞩目。它不仅

3、使传统的光学得到新的发展，而且该技术已广泛渗透到各个学科研究领域，促进了许多科学技术的发展。激光问世的第二年，即1961年，科学家和工程师们就激光测距、激光雷达、激光制导的设想。60年代中期，美国伯金艾莫尔公司研制出第一台He-Ne激光跟踪测量雷达，其测距误差为士O．6m测角误差为0．1mrad，并用于靶场测量。随后以人造卫星测距机的发展最为突出，1969年就精确地测出了地球测点与月球上反射器之间的距离。60年代后期和70年代初期，研制的重点转向单脉冲激光雷达和C02激光雷达。1968年，Raytheon研制出第一台C02相干

4、激光雷达。1970年，西尔瓦尼亚公司研制成第一台YAG单脉冲激光雷达，其测距误差为士0．15m，测角误差为0．1mrad，十年后又研制了改进型YAG单脉冲激光雷达。80年代后期，随着二极管阵列的出现和二极管泵浦固体激光器的出现，半导体激光雷达、固体激光雷达和C02激光雷达齐头并进，在各自的领域内蓬勃发展。1992年，美国科学与工程设备公司开发了二极管激光泵浦固态激光器微脉冲激光雷达(MicroPulseLidar,MPL)，在此基础上又开发了这种光源的差分吸收激光雷达、喇曼散射激光雷达、多普勒激光雷达和生物激光雷达。1994到

5、1995年，ESA进行了LMD脉冲相干四川大学硕士学位论文多普勒雷达风速实验，并对测风雷达的性能进行了初步的研究。1994年9月9日载有米散射激光雷达的“发现号”航天飞机成功发射，进行了空间激光雷达技术实验。LITE是人类第一次实现了空基激光雷达对大气的探测，是激光雷达发展史上具有划时代的里程碑。它开辟了激光雷达大气探测的新纪元。这些成果都标志着激光雷达的发展进入了实用化、商品化的新阶段，关键技术和系统技术也有了长足的进步，展示了它在军事上和国民经济上的广泛的应用前景。在短短40余年中激光雷达技术取得惊人的发展，其工作波长由最

6、初的可见光及近红外区扩大到中红外、远红外甚至紫外区。纵观激光雷达的发展，从功能方面看，大体可分为四个阶段：第一阶段是最早最简单的测距机；第二阶段的激光雷达主要用于测距和导弹初始阶段的跟踪测量：第三阶段采用了相干检测技术，增加了测速手段；第四阶段是正在发展的扫描成像和多普勒成像雷达。多普勒雷达可用于风速测量、气象观测、海底声速测量、山谷地形测量等[1’2】。这些成果都标志着激光雷达的发展进入了实用化、商品化的新阶段_。阿时也展示了它在军事上和国民经济上广泛的应用前景。1．1．2激光雷达在大气科学中的应用激光雷达技术飞速的发展的4

7、0余年中，其应用领域也越发广泛。特别是应用激光雷达技术在大气测量工作中显示出这一技术独有的特性和突出的发展前景。激光雷达对大气的测量工作是通过激光与大气中的气溶胶及大气分子的作用而产生后向散射且被探测器接收而实现的。从激光雷达到被反射至接收器的信号携带着被测物质有关的信息(吸收、散射等)，通过对这些信息进行分析便可得到所需的物理量(温度、速度、密度等)．激光雷达对大气测量过程中根据激光与大气的作用方式的不同及测量目的的不同，演变出了多种不同类型的激光雷达：l用于气溶胶的测量——米氏散射激光雷达米氏散射激光雷达[31是最简单却又

8、是十分有效的一种激光雷达形式。米氏散射是指与波长同一数量级的球形粒子的散射，其散射系数与波长的一次方成2四川大学硕士学位论文反比。在低空大气中存在着丰富的被称之为气溶胶的飘浮粒子，通过这些粒子的散射，可以得到较强的激光雷达信号，并能完成除了与大气污染关系密切的气溶胶浓度与能见