水汽-云-气溶胶激光雷达偏振通道设计与校正研究.pdf

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研究生学位论文



水汽-云-气溶胶激光雷达偏振通道的
设计与校正研究





研究生姓名张薇
指导教师姓名吴松华教授
申请学位级别硕士专业名称海洋信息探测与处理
论文答辩日期 2013 年 5 月 24 日学位授予日期 2012 年 6 月


中国海洋大学
水汽-云-气溶胶激光雷达偏振通道的设计与校正研究
水汽-云-气溶胶激光雷达偏振通道的设计与校正研究
摘要
激光雷达相对于普通气象探测平台具有高时空分辨率探测的特点,已经成为
大气探测的重要手段。中国海洋大学激光雷达课题组正在研制的集合拉曼激光雷
达、米散射激光雷达、偏振激光雷多功能为一体的水汽-云-气溶胶探测激光雷达,
是国际上少数几个综合了大气中水的全相态和气溶胶光学特性的综合气象激光
雷达平台。本文主要阐述该激光雷达偏振探测通道的设计与校正。
水汽是大气中温度变化范围内唯一可以发生相变的成分,水汽冷凝成液态或
固态是形成云、雨、雪的原因。云和气溶胶的时空变化是影响气候和人类生活重
要且不确定的因素,激光雷达时空分辨率较高,可以探测到高空稀薄的云和气溶
胶层。偏振激光雷达主要通过探测大气粒子弹性后向散射信号的退偏振比来研
究粒子的形态,进一步研究大气中云的组成成分和气溶胶。目前,退偏振比的测
量存在一定的误差,主要原因包括激光线偏振纯度影响、部分光学元件对 P 光和
S 光的透过率、反射率不同以及光学串扰、通道增益差异等。本文主要研究了水
汽-云-气溶胶探测激光雷达偏振探测通道的校正方法,探索性地分析云相和大气
气溶胶等。
论文首先对水汽-云-气溶胶探测激光雷达进行了简单的介绍。主要包括系统
的原理、性能和组成,进一步介绍了系统的偏振探测通道的设计原理。在研究中,
着重分析偏振探测通道的退偏振因素来源,并通过光学设计软件 ZEMAX 对其进
行分析,论证偏振探测通道中退偏振因素与校正的可行性。第二部分阐述了两种
获得系统常数的方法,包括单个元件测量法和大气实验观测法。
关键词:激光雷达;偏振探测;退偏振比;校正
水汽-云-气溶胶激光雷达偏振通道的设计与校正研究
Design and Calibration of Polarization Channel in Water
Vapor–Cloud-Aerosol Lidar
Abstract
Lidar with high spatial and temporal resolution has evolved as the main
avoidance approach of atmospheric detection. The lidar team of Ocean University of
China develops the Water Vapor-Cloud-Aerosol Lidar which assembles the Mie Lidar,
Polarization Lidar and Raman Lidar. The lidar system is one of the most peculiar
ground –based lidar in the world which could detect the all types of water vapor and
paper focuses on the design and calibration method in polarization
channel.
Water vapor is the gaseous state of water in the atmosphere, which is the root
casue of the cloud, rain and snow. The temporal and spatial variation of cloud and
aerosol is an uncertain and momentous element for climate and human life. Lidar can
detect the thin structures those consist of cloud and aerosol. Polarization Lidar gets
the information of the atmospheric particles by utilizing depola