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1、海 南 师 范 大 学本 科 生 毕 业 论 文题目：空间大气探测技术姓 名： XXX 学 号： 201006010XXX 专 业： XX学 年 级： 20XX级 系 别： XXX系 完成日期： 2014年5月 指导教师： XXX（副教授） 本科生毕业论文（设计）独创性声明本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为 。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 本科生毕业论文（设计）使用授权声明海南师范大学有权
2、保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权海南师范大学可以将本毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、汇编毕业论文（设计）。论文（设计）作者签名： 日期： 指 导 教 师 签 名： 日期： 目 录摘要-1引言-2第一章：空间大气-21.1 对流层-21.2 平流层-21.3 中间层-31.4 电离层-31.5 外层-3第二章：空间大气探测技术及发展-32.1 空间大气发展历程的概述-32.2 当前的空间大气探测技术-42.3 今后空间大气探测技术的总体发展趋-4第三章：激光雷达大
3、气探测技术-53.1 激光雷达探测系统的元件-53.2 激光雷达的工作原理-63.3 空间激光雷达探测器的应用-63.2 激光雷达的工作原理-63.3 空间激光雷达探测器的应-73.3.1 探测云-73.3.2 探测能见度-83.3.3 探测风-83.3.4 探测气压、温度-9第四章：结论 -9参考文献-10 摘 要：为了了解空间大气探测技术，本文理论介绍了大气空间的概念、空间大气探测技术以及发展趋势。并结合海南省海南师范大学空间雷达大气观测站的相关数据，试图从新的角度分析空间大气探测技术以及激光雷达探测技术的原理、元件及应用。并结合实际探测数据，了解空间大气的特点。在文中重点介绍海南师范大学
4、的空间观测站的激光探测技术。最后，总结归纳空间探测技术的意义及其应用。关键词：空间大气、激光雷达、探测技术Space atmosphere detection technologyAuthor: Deng Yaochang Guide teacher: Zhang Tiemin (professor)(PhysicsofHainanNormalUniversity , Haikou, 571158)Abstract :In order to understand the space atmosphere detection technology，this article introduces
5、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 detection technology from a new perspective. As well as it intr
6、oduce 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 universitys space observatory and laser detection technology. At last, the
7、 article summarized the space detection technique and its application.Key words: Space atmosphere, space atmosphere detecting technology, laser radar detection technology 引言空间大气探测在大气科学的研究中有着其不可或缺的意义，它为我们的人类活动提供了实时保障。在气象业务中它是最基础的组成部分，譬如和我们的生活息息相关的天气预报就是大气探测的产物之一，可见大气探测是多么的重要。而要提高大气气象服务的质量及准确性，首先得提高大气
8、探测的科学技术水平。空间大气探测技术是人类科学的进行大气探测的基础，也是其关键所在。大气探测技术为我们提供和发展了探测的手段和实验的方法，为人类认识空间大气运动，及空间大气中存在的各种物理现象，化学活动及生物过程提供了技术手段和方法。自1967年代以来，基于飞机，卫星时代性的变革以及地面各类平台的探测技术的快速发展，大气探测随之取得了巨大的发展，探测的能力也得到了显著的提高，观测的智能化水平得到了迅猛发展。本文简述了空间大气的环境特征，及当前的探测技术及其发展方向，为读者了解空间大气探测技术提供参考。第一章：空间大气空间大气，地球就被这一层厚厚的大气包围着，我们称之为大气层，是我们人类赖以生存
9、的必要条件。空间大气的主要成分有78.1% 的氮气；21%的氧气；0.93%的氩气；还有少量稀有气体（氦氖氩氪氙氡）以及少量的二氧化碳、水蒸气等.。1空间大气的密度随空间高度的增大而减小，也就是说，空间越高空气越稀薄。大气空间的厚度大至为1000千米，但是他的分界处没有明确的定义。整个空间大气随着高度的不同出现有特点的变化，根据其不同的特点把空间大气分为对流层，平流层，中间层，电离层和散逸层，除此之外的空间我们称之为星际空间。1.1 对流层空间大气的最底下一层我们称之为对流层，厚度在（8到17千米）之间。1随着季节和纬度的变化，大气现象也随之变化。在这一层大气中有对流和涡流，天气过程和天气现象
10、主要是由这一层引起的。比如：刮风、下雨、降雪等天气现象都是在对流层发生的。1.2 平流层平流层是指从对流层的顶端到空间大气的距地面50千米处，层内的温度随高度的变化而变化。1同时平流层是大气空间中上热下冷的一层，它正好与距离地面最近的对流层正好相反，因此此层也叫同温层。然而，平流层在各纬度距离地面的高度却不是确定的，它距离地面的起始距离随着纬度的变化而变化。在中纬度地区平流层比较高，平流层起始于距地表10至50千米处，而在南北极地区，平流层则起始于地面的距离就只有8千米左右的高度。1.3 中间层中间层又称之为中层。自平流层顶端到距地面85千米之间的空间大气。1中层内臭氧的含量极低，因能被氮气、
11、氧气等直接吸收的太阳辐射出的短波已经大部分被上一层大气吸收的所剩无几，所以温度随高度的变化率很高，对流运动也十分强盛。在中间层的顶附近的温度约能达到190度左右，里边的空气分子吸收太阳紫外辐射后即可发生电离，因此科学家们又命名为电离层的D层。在高纬度地区的中间层，夏季黄昏时偶尔会有非常美丽的夜光云出现。1.4 电离层电离层，顾名思义为大气空间内的电离区域。在地球大气空间内，距离地球表面60千米以上的大气都处于完全电离或者是部分电离的电离状态。其中部分电离的区域科学家把之称为电离层，而完全电离的被称之为磁层。此层最为突出的特点就是在太阳的照射下，该层的氧原子会大量吸收太阳光中的紫外线，此过程会导
12、致大气温度升高，因此，电离层又被叫做暖层。1.5 外层外层又名散逸层，从热层顶端延伸至距离地球表面约1000千米处。1当然地球的空间大气有多厚一直都是存在争议的问题，但是，随着人类的不断探索和不懈的努力，人类对其的了解程度也越来越清晰了。第二章：空间大气探测技术及发展趋势2.1 空间大气发展历程的概述二十世纪以来空间大气探测技术取得了迅猛发展，原因就是重视探测系统的及硬件上的投入，以及新型探测技术的革新。世界各国对大气探测的研究增多，国际合作的大项目也随之生成，比如气候变化与可预报性研究计划、全球能量和水分循环研究计划、世界天气研究计划等都在紧锣密鼓的进行。2它们都是把观测系统的建设放在了首位
13、，并且积极开发创新着新的空间大气探测技术。如大家熟知的gps技术，空间遥感探测技术等。当前空间大气探测的显著发展有一下特点：探测的自动化水平极大增强，对空间大气的探测能力显著的提高。直接观测、遥感和遥测等观测技术的融合也有了空前的提高，是观测水平远远超过了预知的发展，达到了空间大气探测的空前盛世。 空间大气探测技术的发展历程可以归纳为一下四个阶段。初始阶段、发展阶段，形成阶段，成熟阶段。5 初始阶段大约始于17世纪，结束于20世纪初。由于当时的科技水平比较落后，经历了第一、二次工业革命。由于受当时的科技水平的限制，这一阶段的历程长达270年之久。虽然空间大气探测技术发展的非常缓慢，探测所用的仪
14、器也非常的落后，还停留在全手工操作的阶段，但是随着时间的推移，但是当时的探测项目已经拓展到当前以应用的大多数地面探测项目。科学界把1915年至1944年定义为空间探测技术的发展阶段，此阶段的主要进展是无线电技术在空间大气探测中的应用。而成形阶段（1945至1959年），的主要进展是在空间大气探测中发展了火箭探测技术。51960年至今是空间大气探测技术的成熟阶段，这个阶段的标志是气象卫星的使用。1960年的春天美国发射了人类世界的第一颗气象卫星钛螺丝一号，以此为标志，空间大气探测进入了全新的阶段。气象卫星的使用突波了以往的探测仪和探测火箭探测的局限性。这是空间大气探测技术的一个历史性的变革，是人
15、类空间大气探测史上的第三次重大突破。2.2当前的空间大气探测技术近些年来，西方的发达国家投入了大量的人力和物力开发研制出了新一代的气象卫星，布设了大量的空间雷达探测器，GPS定位系统，风廓线仪等，建设成了非常密集的空间大气观测网。大大的增强了对空间大气探测的自动化性和精确性。当然，目前我国也开始投入了大量的资金和人力，努力地建设属于我们自己的综合性空间大气观测网。2.3今后空间大气探测技术的总体发展趋势1. 向系统性方向发展。6研制和开发新型的探测设备，以便集预处理、信息的获取、及信息传输的一体化。2. 向探测的综合性、全面性发展。6如地基与天基，空基、遥感与大气观测，常规与非常规观测的同时进
16、行。3. 向高精度方向发展。6增强探测的时空上高分辨率，提高探测数据和数据处理的高准确性。4. 向自动化方向发展。6自动化的遥测遥感设备将逐步取代器测和部分手动机械测量项目。5. 探测设备朝着小型化，多功能化方向发展，大型笨重的仪器将被逐步取代。6第三章：激光雷达大气探测技术 激光雷达探测技术是我国掌握得最好，也是我国各研究所、大气观测中心应用的最多的一门大气探测技术。激光雷达测技术是通过激光雷达测量空间大气的温度、密度风场，经过数据的记录和处理得出当地空间大气的特征。此技术有着极高的精确度和时空分辨率，为空间大气的探测提供了极有力的数据。3.1 激光雷达探测系统的元件名 称 激光器发射激光室
17、YAG激光器染料激光器 YAG激光器控制单元激光扩束镜激光功率计Mide望远镜450强光反射镜光触发器光学平台接收望远镜1米望远镜 制冷器/光电倍增管前置放大器光电倍增管分光器光学平台控制柜延迟器前放电源Licer系统工控机450反射镜、步进电机控制器钠标定系统3.2 激光雷达的工作原理顾名思义激光雷达就是激光技术与雷达技术相融合的产物，并且由以上所列元件构成。激光雷达的组成也可分为4部分即：发射、接收、测量控制盒电源。它的工作原理是：“激光器先向目标方向发射激光探测信号，激光照射到目标物后立即以信号波的形式反射回接收室。而信号波经历时间，频率等参数正好放映了被测目标的具体情况和状态变化。所以
18、我们只需要通过测量返回波的信号图像，得出返回波的时间，频率变化，方向变化等具体参数，就可以确定被测目标的距离、方位和状态变化情况等”。如下图31即为我国海南省海口市海南师范大学空间激光雷达探测器2010-3-6接收的光子回波图。图3-1该图测量的是该时刻海口市上空的钠密度变化情况，通过数据处理下3-2图3-2通过图3-2即可清楚的看出在距离地面80千米以下几乎不存在钠原子度开始钠密度逐渐增大直到距地面95千米的高空达到峰值。然后随高度的增加钠密度有逐渐开始减小直到105千米高空减至0.3.3空间激光雷达探测器的应用空间激光雷达探测器对大气的探测主要通过探测云、探测能见度、探测风、探测气压和温度
19、等4个方面进行。83.3.1.探测云对云的探测是激光技术应用的最早的一个领域之一。其中包括探测云的厚度、高低和层次等三个方面。这对气候的研究和航空航天均有重要的意义。激光探测云具有可控性强，精确度高等特点。激光雷达探测器探测云的高度和我们普通激光测距离的原理相同。先由激光发射出一书信号光指向目标云，信号激光接触到目标云后会发出激光回波信号。我们只需记录下从激光发射到接收到回波信号所用的时间t，根据物理公式S=ct，可求出云距离地面的距离。而为了增加测量的精确度，需要更加精确的测量时间t。因为光的速度特别的快，为了精确地测量，测量采用时标脉冲振荡器测量。它能精确的记录激光信号往返的时间t，并直接
20、根据已设计好的程序直接算出距离S，并通过显示器显示出来。激光雷达对云的厚度和层次的测量，同样是向目标云发射激光脉冲信号。此信号在遇到云层厚继续在云中传输。只要激光脉冲足够强，激光脉冲就能穿过一层又一层的云层，而每一层都会反射回不同的激光回波，由此可以计算出云层的数量。同时激光脉冲在穿越云层的时候会衰减，以衰减的程度可以判断云层的厚度。3.3.2探测能见度能见度主要取决于目标物和背景物的光学特点、人眼的生理特点、目标物、背景物和观察者之间大气的光学特性以及该地区大气的消光系数的分布等因素。也就是说，在确定时间、地点、人物的情况下，能见度的大小主要被大气消光系数影响。激光雷达对能见度的测量可分为两
21、种类型，前向散射型和后向散射型。前向散射型是用发射系统和接收系统分开的双端激光雷达设备，通过对大气溶胶粒子来确定能见度。后向散射型与前向散射型的区别在于发射和接收系统是一起合置的探测时只能用单端设备。3.3.3探测风激光雷达可以测量出高精度、高分变率的风速风向数据。对风速的测量可以精确到1m/s，对风向的测量可以精确到5度以内，测量范围达到距离地面20km处。“激光雷达对风速的测量是基于激光具有高相干性，方向性，单色性和平方率特性激光雷达测风速是通过光外差探测，获得激光的多普勒信息”8，从而求出该地域的大气风向。激光雷达的测风原理图如下图3-3：图3-38从激光器中发射出频率为f。的激光束，通
22、过分光计把激光分成两束。一束发射到光电探测器，另一束激光束发射到目标空气。经过空气中的粒子反射后形成回波信号。该回波信号直接被光电探测器吸收，然后送往中频放大器，经过鉴频器得到频率f。根据多普勒公式： f=cf。/（cv）其中f和f。分别为鉴频器接收到的两次频率，c为光的速度，w就表示被测的风速，“+”表示风远离雷达移动,“-”表示风向雷达移动。经过计算即可得到风的速度w。而根据激光雷到测到的回波方向即可判断风的运动方向。83.3.4探测气压、温度激光雷达空间探测器可以提供当地精确、高分辨率的气压和轮廓线。这种激光探测器大部分是用差分吸收波长的激光器（一般是一个黄色染料激光器和一个绿色染料激光
23、器）。前一个发出黄色的光，后一个发出绿色的光。当然在夜晚，绿光要比黄光显眼，通常人们只能看见绿色的光。因为白天背景光比信号光强的多，望远镜接收信号不好，所以对大气的测量通常选择在晴朗夜空的晚上，激光的射出可以测量80-100km范围内的钠离子分布情况和气流气压、温度等。除了以上用途之外，激光雷达对空间雷暴强度，大气气溶胶、晴空喘流等进行测量。激光雷达是一种成本低，效率高的空间大气测量手段。目前该技术被应用于空间大气探测的各个领域。第四章：结论 大气探测经过长期的摸索和发展已经取得了惊人的成果，对人类的生活影响有着不可或缺的意义。可以这么说，大气探测直接或间接地影响着人类的衣食住行。空间大气的探
24、测和利用，是二十一世纪具有重大意义的一个前沿领域。然而，我国在空间大气探测方面的研究远远的落后于许多发达国家的水平，因此为了能进一步的加强我国的综合国力。我国应当进一步的加大对空间大气的探测，和技术试验，为空间大气的研究占住一席之地。 随着人类社会的发展，人类的生存空间被一步步的污染，空间大气的风云变化也越来越莫测。只有提高对大气的探测技术，才能提高我们对大气探测的精确率，以便人们可以更真实的掌握空间大气见的风云变幻，大大的提高我们人类生活的质量。 参考文献：1大气层百度百科k2郄秀书，吕达仁，陈洪滨，等大气探测高技术及应用研究进展J.大气科学，2008(07)3张晓芳，严卫， 中高层大气探测
25、技术的研究进展J.气象科学,2011(02)4刘园园，吴维，张静，贺可海，临近空间大气环境特性及探测技术概论J.2013(11)5张庆阳，张沅，李莉，田静，大气探测技术发展概述c.气象科学2003(04)6胡玉峰，未来10年我国大气探测技术的发展趋势A.2003年年会“地球气候和环境系统的探测与研究”分会论文集C 2003(12)7王冬梅，程陪玉，找士彬，浅谈大气探测技术的发展J.科技风2013(07)8胡雄; 闫召爱; 龚建村 ， 激光雷达在临近空间大气探测中的应用A，第十届全国光电技术学术交流会论文集C .20129 邢志伟,蒋立辉,于之靖. 航空地面保障技术发展研究A. 航空科学技术学科发展报告（2010-2011）C. 2011 10