海南師范大學(xué)畢業(yè)論文

1、海 南 師 范 大 學(xué)本 科 生 畢 業(yè) 論 文題目：空間大氣探測(cè)技術(shù)姓 名： XXX 學(xué) 號(hào)： 201006010XXX 專 業(yè)： XX學(xué) 年 級(jí)： 20XX級(jí) 系 別： XXX系 完成日期： 2014年5月 指導(dǎo)教師： XXX（副教授） 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，本論文中沒有抄襲他人研究成果和偽造數(shù)據(jù)等行為 。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）使用授權(quán)聲明海南師范大學(xué)有權(quán)

2、保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和磁盤，允許畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)海南師范大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)印手段保存、匯編畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 目 錄摘要-1引言-2第一章：空間大氣-21.1 對(duì)流層-21.2 平流層-21.3 中間層-31.4 電離層-31.5 外層-3第二章：空間大氣探測(cè)技術(shù)及發(fā)展-32.1 空間大氣發(fā)展歷程的概述-32.2 當(dāng)前的空間大氣探測(cè)技術(shù)-42.3 今后空間大氣探測(cè)技術(shù)的總體發(fā)展趨-4第三章：激光雷達(dá)大

3、氣探測(cè)技術(shù)-53.1 激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的元件-53.2 激光雷達(dá)的工作原理-63.3 空間激光雷達(dá)探測(cè)器的應(yīng)用-63.2 激光雷達(dá)的工作原理-63.3 空間激光雷達(dá)探測(cè)器的應(yīng)-73.3.1 探測(cè)云-73.3.2 探測(cè)能見度-83.3.3 探測(cè)風(fēng)-83.3.4 探測(cè)氣壓、溫度-9第四章：結(jié)論 -9參考文獻(xiàn)-10作者：XXX 指導(dǎo)老師：XXX（副教授）（海南師范大學(xué)物理學(xué)，?？冢?71158）摘 要：為了了解空間大氣探測(cè)技術(shù)，本文理論介紹了大氣空間的概念、空間大氣探測(cè)技術(shù)以及發(fā)展趨勢(shì)。并結(jié)合海南省海南師范大學(xué)空間雷達(dá)大氣觀測(cè)站的相關(guān)數(shù)據(jù)，試圖從新的角度分析空間大氣探測(cè)技術(shù)以及激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的原理

4、、元件及應(yīng)用。并結(jié)合實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)，了解空間大氣的特點(diǎn)。在文中重點(diǎn)介紹海南師范大學(xué)的空間觀測(cè)站的激光探測(cè)技術(shù)。最后，總結(jié)歸納空間探測(cè)技術(shù)的意義及其應(yīng)用。關(guān)鍵詞：空間大氣、激光雷達(dá)、探測(cè)技術(shù)Space atmosphere detection technologyAuthor: Deng Yaochang Guide teacher: Zhang Tiemin (professor)(Physics of Hainan Normal University , Haikou, 571158)Abstract :In order to understand th

5、e space atmosphere detection technology，this article introduces the concept of air space, space atmosphere detection technology and development trend in theory. At the same time, it combined with Hainan normal university space radar atmospheric observations related data to introduce space atmosphere

6、 detection technology from a new perspective. As well as it introduce the principle, components and application of laser radar. Also combined with the actual detection data, this article analyzed the characteristics of space atmosphere. In this thesis will focus on introduce Hainan normal university

7、s space observatory and laser detection technology. At last, the article summarized the space detection technique and its application.Key words: Space atmosphere, space atmosphere detecting technology, laser radar detection technology 引言空間大氣探測(cè)在大氣科學(xué)的研究中有著其不可或缺的意義，它為我們的人類活動(dòng)提供了實(shí)時(shí)保障。在氣象業(yè)務(wù)中它是最基礎(chǔ)的組成部分，譬如和

8、我們的生活息息相關(guān)的天氣預(yù)報(bào)就是大氣探測(cè)的產(chǎn)物之一，可見大氣探測(cè)是多么的重要。而要提高大氣氣象服務(wù)的質(zhì)量及準(zhǔn)確性，首先得提高大氣探測(cè)的科學(xué)技術(shù)水平?？臻g大氣探測(cè)技術(shù)是人類科學(xué)的進(jìn)行大氣探測(cè)的基礎(chǔ)，也是其關(guān)鍵所在。大氣探測(cè)技術(shù)為我們提供和發(fā)展了探測(cè)的手段和實(shí)驗(yàn)的方法，為人類認(rèn)識(shí)空間大氣運(yùn)動(dòng)，及空間大氣中存在的各種物理現(xiàn)象，化學(xué)活動(dòng)及生物過程提供了技術(shù)手段和方法。自1967年代以來，基于飛機(jī)，衛(wèi)星時(shí)代性的變革以及地面各類平臺(tái)的探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，大氣探測(cè)隨之取得了巨大的發(fā)展，探測(cè)的能力也得到了顯著的提高，觀測(cè)的智能化水平得到了迅猛發(fā)展。本文簡述了空間大氣的環(huán)境特征，及當(dāng)前的探測(cè)技術(shù)及其發(fā)展方向，為

9、讀者了解空間大氣探測(cè)技術(shù)提供參考。第一章：空間大氣空間大氣，地球就被這一層厚厚的大氣包圍著，我們稱之為大氣層，是我們?nèi)祟愘囈陨娴谋匾獥l件?？臻g大氣的主要成分有78.1% 的氮?dú)猓?1%的氧氣；0.93%的氬氣；還有少量稀有氣體（氦氖氬氪氙氡）以及少量的二氧化碳、水蒸氣等.。1空間大氣的密度隨空間高度的增大而減小，也就是說，空間越高空氣越稀薄。大氣空間的厚度大至為1000千米，但是他的分界處沒有明確的定義。整個(gè)空間大氣隨著高度的不同出現(xiàn)有特點(diǎn)的變化，根據(jù)其不同的特點(diǎn)把空間大氣分為對(duì)流層，平流層，中間層，電離層和散逸層，除此之外的空間我們稱之為星際空間。1.1 對(duì)流層空間大氣的最底下一層我們稱之

10、為對(duì)流層，厚度在（8到17千米）之間。1隨著季節(jié)和緯度的變化，大氣現(xiàn)象也隨之變化。在這一層大氣中有對(duì)流和渦流，天氣過程和天氣現(xiàn)象主要是由這一層引起的。比如：刮風(fēng)、下雨、降雪等天氣現(xiàn)象都是在對(duì)流層發(fā)生的。1.2 平流層平流層是指從對(duì)流層的頂端到空間大氣的距地面50千米處，層內(nèi)的溫度隨高度的變化而變化。1同時(shí)平流層是大氣空間中上熱下冷的一層，它正好與距離地面最近的對(duì)流層正好相反，因此此層也叫同溫層。然而，平流層在各緯度距離地面的高度卻不是確定的，它距離地面的起始距離隨著緯度的變化而變化。在中緯度地區(qū)平流層比較高，平流層起始于距地表10至50千米處，而在南北極地區(qū)，平流層則起始于地面的距離就只有8千

11、米左右的高度。1.3 中間層中間層又稱之為中層。自平流層頂端到距地面85千米之間的空間大氣。1中層內(nèi)臭氧的含量極低，因能被氮?dú)狻⒀鯕獾戎苯游盏奶栞椛涑龅亩滩ㄒ呀?jīng)大部分被上一層大氣吸收的所剩無幾，所以溫度隨高度的變化率很高，對(duì)流運(yùn)動(dòng)也十分強(qiáng)盛。在中間層的頂附近的溫度約能達(dá)到190度左右，里邊的空氣分子吸收太陽紫外輻射后即可發(fā)生電離，因此科學(xué)家們又命名為電離層的D層。在高緯度地區(qū)的中間層，夏季黃昏時(shí)偶爾會(huì)有非常美麗的夜光云出現(xiàn)。1.4 電離層電離層，顧名思義為大氣空間內(nèi)的電離區(qū)域。在地球大氣空間內(nèi)，距離地球表面60千米以上的大氣都處于完全電離或者是部分電離的電離狀態(tài)。其中部分電離的區(qū)域科學(xué)家把

12、之稱為電離層，而完全電離的被稱之為磁層。此層最為突出的特點(diǎn)就是在太陽的照射下，該層的氧原子會(huì)大量吸收太陽光中的紫外線，此過程會(huì)導(dǎo)致大氣溫度升高，因此，電離層又被叫做暖層。1.5 外層外層又名散逸層，從熱層頂端延伸至距離地球表面約1000千米處。1當(dāng)然地球的空間大氣有多厚一直都是存在爭議的問題，但是，隨著人類的不斷探索和不懈的努力，人類對(duì)其的了解程度也越來越清晰了。第二章：空間大氣探測(cè)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)2.1 空間大氣發(fā)展歷程的概述二十世紀(jì)以來空間大氣探測(cè)技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，原因就是重視探測(cè)系統(tǒng)的及硬件上的投入，以及新型探測(cè)技術(shù)的革新。世界各國對(duì)大氣探測(cè)的研究增多，國際合作的大項(xiàng)目也隨之生成，比如氣

13、候變化與可預(yù)報(bào)性研究計(jì)劃、全球能量和水分循環(huán)研究計(jì)劃、世界天氣研究計(jì)劃等都在緊鑼密鼓的進(jìn)行。2它們都是把觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)放在了首位，并且積極開發(fā)創(chuàng)新著新的空間大氣探測(cè)技術(shù)。如大家熟知的gps技術(shù)，空間遙感探測(cè)技術(shù)等。當(dāng)前空間大氣探測(cè)的顯著發(fā)展有一下特點(diǎn)：探測(cè)的自動(dòng)化水平極大增強(qiáng)，對(duì)空間大氣的探測(cè)能力顯著的提高。直接觀測(cè)、遙感和遙測(cè)等觀測(cè)技術(shù)的融合也有了空前的提高，是觀測(cè)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了預(yù)知的發(fā)展，達(dá)到了空間大氣探測(cè)的空前盛世。 空間大氣探測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷程可以歸納為一下四個(gè)階段。初始階段、發(fā)展階段，形成階段，成熟階段。5 初始階段大約始于17世紀(jì)，結(jié)束于20世紀(jì)初。由于當(dāng)時(shí)的科技水平比較落后，經(jīng)歷了

14、第一、二次工業(yè)革命。由于受當(dāng)時(shí)的科技水平的限制，這一階段的歷程長達(dá)270年之久。雖然空間大氣探測(cè)技術(shù)發(fā)展的非常緩慢，探測(cè)所用的儀器也非常的落后，還停留在全手工操作的階段，但是隨著時(shí)間的推移，但是當(dāng)時(shí)的探測(cè)項(xiàng)目已經(jīng)拓展到當(dāng)前以應(yīng)用的大多數(shù)地面探測(cè)項(xiàng)目?？茖W(xué)界把1915年至1944年定義為空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展階段，此階段的主要進(jìn)展是無線電技術(shù)在空間大氣探測(cè)中的應(yīng)用。而成形階段（1945至1959年），的主要進(jìn)展是在空間大氣探測(cè)中發(fā)展了火箭探測(cè)技術(shù)。51960年至今是空間大氣探測(cè)技術(shù)的成熟階段，這個(gè)階段的標(biāo)志是氣象衛(wèi)星的使用。1960年的春天美國發(fā)射了人類世界的第一顆氣象衛(wèi)星鈦螺絲一號(hào)，以此為標(biāo)志，空

15、間大氣探測(cè)進(jìn)入了全新的階段。氣象衛(wèi)星的使用突波了以往的探測(cè)儀和探測(cè)火箭探測(cè)的局限性。這是空間大氣探測(cè)技術(shù)的一個(gè)歷史性的變革，是人類空間大氣探測(cè)史上的第三次重大突破。2.2當(dāng)前的空間大氣探測(cè)技術(shù)近些年來，西方的發(fā)達(dá)國家投入了大量的人力和物力開發(fā)研制出了新一代的氣象衛(wèi)星，布設(shè)了大量的空間雷達(dá)探測(cè)器，GPS定位系統(tǒng)，風(fēng)廓線儀等，建設(shè)成了非常密集的空間大氣觀測(cè)網(wǎng)。大大的增強(qiáng)了對(duì)空間大氣探測(cè)的自動(dòng)化性和精確性。當(dāng)然，目前我國也開始投入了大量的資金和人力，努力地建設(shè)屬于我們自己的綜合性空間大氣觀測(cè)網(wǎng)。2.3今后空間大氣探測(cè)技術(shù)的總體發(fā)展趨勢(shì)1. 向系統(tǒng)性方向發(fā)展。6研制和開發(fā)新型的探測(cè)設(shè)備，以便集預(yù)處理、

16、信息的獲取、及信息傳輸?shù)囊惑w化。2. 向探測(cè)的綜合性、全面性發(fā)展。6如地基與天基，空基、遙感與大氣觀測(cè)，常規(guī)與非常規(guī)觀測(cè)的同時(shí)進(jìn)行。3. 向高精度方向發(fā)展。6增強(qiáng)探測(cè)的時(shí)空上高分辨率，提高探測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的高準(zhǔn)確性。4. 向自動(dòng)化方向發(fā)展。6自動(dòng)化的遙測(cè)遙感設(shè)備將逐步取代器測(cè)和部分手動(dòng)機(jī)械測(cè)量項(xiàng)目。  5. 探測(cè)設(shè)備朝著小型化，多功能化方向發(fā)展，大型笨重的儀器將被逐步取代。6第三章：激光雷達(dá)大氣探測(cè)技術(shù) 激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是我國掌握得最好，也是我國各研究所、大氣觀測(cè)中心應(yīng)用的最多的一門大氣探測(cè)技術(shù)。激光雷達(dá)測(cè)技術(shù)是通過激光雷達(dá)測(cè)量空間大氣的溫度、密度風(fēng)場(chǎng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)的記錄和處

17、理得出當(dāng)?shù)乜臻g大氣的特征。此技術(shù)有著極高的精確度和時(shí)空分辨率，為空間大氣的探測(cè)提供了極有力的數(shù)據(jù)。3.1 激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的元件名 稱 激光器發(fā)射激光室YAG激光器染料激光器 YAG激光器控制單元激光擴(kuò)束鏡激光功率計(jì)Mide望遠(yuǎn)鏡450強(qiáng)光反射鏡光觸發(fā)器光學(xué)平臺(tái)接收望遠(yuǎn)鏡1米望遠(yuǎn)鏡 制冷器/光電倍增管前置放大器光電倍增管分光器光學(xué)平臺(tái)控制柜延遲器前放電源Licer系統(tǒng)工控機(jī)450反射鏡、步進(jìn)電機(jī)控制器鈉標(biāo)定系統(tǒng)3.2 激光雷達(dá)的工作原理顧名思義激光雷達(dá)就是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相融合的產(chǎn)物，并且由以上所列元件構(gòu)成。激光雷達(dá)的組成也可分為4部分即：發(fā)射、接收、測(cè)量控制盒電源。它的工作原理是：“激光器

18、先向目標(biāo)方向發(fā)射激光探測(cè)信號(hào)，激光照射到目標(biāo)物后立即以信號(hào)波的形式反射回接收室。而信號(hào)波經(jīng)歷時(shí)間，頻率等參數(shù)正好放映了被測(cè)目標(biāo)的具體情況和狀態(tài)變化。所以我們只需要通過測(cè)量返回波的信號(hào)圖像，得出返回波的時(shí)間，頻率變化，方向變化等具體參數(shù)，就可以確定被測(cè)目標(biāo)的距離、方位和狀態(tài)變化情況等”。如下圖31即為我國海南省海口市海南師范大學(xué)空間激光雷達(dá)探測(cè)器2010-3-6接收的光子回波圖。圖3-1該圖測(cè)量的是該時(shí)刻?？谑猩峡盏拟c密度變化情況，通過數(shù)據(jù)處理下3-2圖3-2通過圖3-2即可清楚的看出在距離地面80千米以下幾乎不存在鈉原子度開始鈉密度逐漸增大直到距地面95千米的高空達(dá)到峰值。然后隨高度的增加鈉密

19、度有逐漸開始減小直到105千米高空減至0.3.3空間激光雷達(dá)探測(cè)器的應(yīng)用空間激光雷達(dá)探測(cè)器對(duì)大氣的探測(cè)主要通過探測(cè)云、探測(cè)能見度、探測(cè)風(fēng)、探測(cè)氣壓和溫度等4個(gè)方面進(jìn)行。83.3.1.探測(cè)云對(duì)云的探測(cè)是激光技術(shù)應(yīng)用的最早的一個(gè)領(lǐng)域之一。其中包括探測(cè)云的厚度、高低和層次等三個(gè)方面。這對(duì)氣候的研究和航空航天均有重要的意義。激光探測(cè)云具有可控性強(qiáng)，精確度高等特點(diǎn)。激光雷達(dá)探測(cè)器探測(cè)云的高度和我們普通激光測(cè)距離的原理相同。先由激光發(fā)射出一書信號(hào)光指向目標(biāo)云，信號(hào)激光接觸到目標(biāo)云后會(huì)發(fā)出激光回波信號(hào)。我們只需記錄下從激光發(fā)射到接收到回波信號(hào)所用的時(shí)間t，根據(jù)物理公式S=ct，可求出云距離地面的距離。而為了

20、增加測(cè)量的精確度，需要更加精確的測(cè)量時(shí)間t。因?yàn)楣獾乃俣忍貏e的快，為了精確地測(cè)量，測(cè)量采用時(shí)標(biāo)脈沖振蕩器測(cè)量。它能精確的記錄激光信號(hào)往返的時(shí)間t，并直接根據(jù)已設(shè)計(jì)好的程序直接算出距離S，并通過顯示器顯示出來。激光雷達(dá)對(duì)云的厚度和層次的測(cè)量，同樣是向目標(biāo)云發(fā)射激光脈沖信號(hào)。此信號(hào)在遇到云層厚繼續(xù)在云中傳輸。只要激光脈沖足夠強(qiáng)，激光脈沖就能穿過一層又一層的云層，而每一層都會(huì)反射回不同的激光回波，由此可以計(jì)算出云層的數(shù)量。同時(shí)激光脈沖在穿越云層的時(shí)候會(huì)衰減，以衰減的程度可以判斷云層的厚度。3.3.2探測(cè)能見度能見度主要取決于目標(biāo)物和背景物的光學(xué)特點(diǎn)、人眼的生理特點(diǎn)、目標(biāo)物、背景物和觀察者之間大氣的光

21、學(xué)特性以及該地區(qū)大氣的消光系數(shù)的分布等因素。也就是說，在確定時(shí)間、地點(diǎn)、人物的情況下，能見度的大小主要被大氣消光系數(shù)影響。激光雷達(dá)對(duì)能見度的測(cè)量可分為兩種類型，前向散射型和后向散射型。前向散射型是用發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)分開的雙端激光雷達(dá)設(shè)備，通過對(duì)大氣溶膠粒子來確定能見度。后向散射型與前向散射型的區(qū)別在于發(fā)射和接收系統(tǒng)是一起合置的探測(cè)時(shí)只能用單端設(shè)備。3.3.3探測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)可以測(cè)量出高精度、高分變率的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。對(duì)風(fēng)速的測(cè)量可以精確到1m/s，對(duì)風(fēng)向的測(cè)量可以精確到5度以內(nèi)，測(cè)量范圍達(dá)到距離地面20km處。“激光雷達(dá)對(duì)風(fēng)速的測(cè)量是基于激光具有高相干性，方向性，單色性和平方率特性激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)速

22、是通過光外差探測(cè)，獲得激光的多普勒信息”8，從而求出該地域的大氣風(fēng)向。激光雷達(dá)的測(cè)風(fēng)原理圖如下圖3-3：圖3-38從激光器中發(fā)射出頻率為f。的激光束，通過分光計(jì)把激光分成兩束。一束發(fā)射到光電探測(cè)器，另一束激光束發(fā)射到目標(biāo)空氣。經(jīng)過空氣中的粒子反射后形成回波信號(hào)。該回波信號(hào)直接被光電探測(cè)器吸收，然后送往中頻放大器，經(jīng)過鑒頻器得到頻率f。根據(jù)多普勒公式： f=cf。/（c±v）其中f和f。分別為鑒頻器接收到的兩次頻率，c為光的速度，w就表示被測(cè)的風(fēng)速，“+”表示風(fēng)遠(yuǎn)離雷達(dá)移動(dòng),“-”表示風(fēng)向雷達(dá)移動(dòng)。經(jīng)過計(jì)算即可得到風(fēng)的速度w。而根據(jù)激光雷到測(cè)到的回波方向即可判斷風(fēng)的運(yùn)動(dòng)方向。83.3.4探測(cè)氣壓、溫度激光雷達(dá)空間探測(cè)器可以提供當(dāng)?shù)鼐_、高分辨率的氣壓和輪廓線。這種激光探測(cè)器大部分是用差分吸收波長的激光器（一般是一個(gè)黃色染料激光器和一個(gè)綠色染料激光器）。前一個(gè)發(fā)出黃色的光，后一個(gè)發(fā)出綠色的光。當(dāng)然在夜晚，綠光要比黃光顯眼，通常人們只能看見綠色的光。因?yàn)榘滋毂尘肮獗刃盘?hào)光強(qiáng)的多，望遠(yuǎn)鏡接收信號(hào)不好，所以對(duì)大氣的測(cè)量通常選擇在晴朗夜空的晚上，激光的射出可以測(cè)量80-100km范圍內(nèi)的鈉離子分布情況和氣流氣壓、溫度等。除了以上用途之外，激光雷達(dá)對(duì)空間雷暴強(qiáng)度，大氣氣溶膠、晴空