瑞利布里渊线宽反演大气温度开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

大气垂直高度的温度监测一直是气象、环保和空间工程领域的重要研究工作，也是激光雷达应用的重要领域。由于低层大气中有大量气溶胶的存在，所造成的米氏散射会给分子散射回波能量造成干扰，因此通过频谱信号检测相对于入射光频率具有一定频移的拉曼散射回波信号在低空大气中得到广泛应用。但是从散射机理上来说，拉曼散射截面要比瑞利布里渊小很多，回波信号十分微弱，这将需要大功率激光发射设备和高灵敏度接收设备，成本比较高，大规模布网开销大。另外拉曼散射回波信号信噪比较低，需要更多的积分时间积累或者多次测量去平均才能获得较好的效果，不利于短时间极端天气的快速监测。所以具有更强回波信号的瑞利布里渊激光雷达是频谱信号监测低层大气温度的一个重要研究方向。

采用频谱检测的瑞利布里渊激光雷达具有高信噪比、高灵敏度的特点，已经在光纤、海水等介质参数遥感上得到广泛应用。例如布里渊频移和回波能量可应用于光纤温度和应力的同时测量,由此衍生的光学传感器已经得到了广泛的使用；在海洋领域的研究中采用瑞利布里渊激光雷达获取布里渊频移、线宽等参数，可用于海水温度、盐度、粘滞系数和声速的遥感测量。但是大气布里渊频移仅有1-2ghz左右，散射产生的中心瑞利峰与两侧的布里渊峰重叠在一起而变得难以区分，精确的频谱参数很难从三个散射峰组成的混合谱线中直接获取。

2011年，witschas基于近似于hydrodynamic区域中廓线分布函数的形式，将大气瑞利布里渊谱谱描述为有中心瑞利高斯峰和分布与两侧的布里渊高斯峰的形式建立了解析模型。由于该模型中各项参数依赖于温度和压强，其确定参数具体数值时是在固定温度为250k，改变压强而获得的，因此，当测量的温度偏离250k的时候其误差也就越大，最大达到10k左右。2012年ma等基于谱线展宽理论提出了voigt函数的rbs谱解析模型，并被证明了相对于g3模型具有更好的性能。并通过voigt分离瑞利峰和布里渊峰进而测量布里渊频移可以反演温度。2014年ma等第一次通过实验验证了改模型的性能，初步证实在高气压条件下能够获得精确的频移反演温度，但是对于实际遥感应用中1bar及其更低气压的条件，整体rbs谱线完全混所以在分离瑞利峰和布里渊峰时存在收敛结果不稳定或者存在多值解的问题，影响了测量精度，大约有8.4%的误差，因此也需要进一步的提高。

2. 研究的基本内容与方案

当前在大气测温技术领域，激光雷达大气测温具有实时性好、探测灵敏度高和时空分辨率好等优点，并且可连续地进行高空间分辨率大气温度垂直剖面遥感探测，因而成为一个新的研究热点。但是在低空中，大量的气溶胶将产生很强烈的米氏散射信号，严重影响了瑞利激光雷达的测量，因此低空大气温度探测存在测量精度非常不足的缺陷。

低空探测得到的瑞利布里渊廓线从频谱上看仅有线宽信息是直观的，通过测量大气瑞利-布里渊散射谱的半高线宽实现对低空大气测温的方法，可以在频域上减小米氏散射的干扰、提高测量精度，但是由于散射谱的半高线宽与温度在理论上仅为近似关系，所以其测得的精度也不太理想，大约为5k左右。针对上述方法的不足，提出一种新型的、基于线宽反演大气温度的模型。

研究的目标是通过分析瑞利布里渊廓线的整体线宽与温度和压强之间的关系，建立相关模型实现瑞利布里渊线宽对大气温度的反演，并进行精度分析和实验验证。研究拟采用最小均方误差算法拟合s6模型中的实验数据得到温度作为线宽和压强的函数，并对各测量参数对温度反演不确定的影响进行分析。

3. 研究计划与安排

1.第1-3周完成题目调研，完成文献阅读，进行相关资料的收集，完成文献综述以及开题报告的撰写；

2.第4-7周学习并掌握瑞利布里渊激光雷达的基本理论知识，对几种温度反演分析模型进行研究；

3.第8-11周提出基于线宽反演大气温度的模型，并进行精度分析和实验验证；

4. 参考文献（12篇以上）

1.e.hammann1,a.behrendt1,f.lemounier,andv.wulfmeyer.2015.temperatureprofilingoftheatmosphericboundarylayerwithrotationalramanlidarduringthehd(cp)2observationalprototypeexperiment.atmos.chem.phys.15(5),2867-2881.

2. f.liu,andf.yi,2014.lidar-measuredatmosphericn2vibrational-rotationalramanspectraandconsequenttemperatureretrieval.opt.express22(23),27833-27844.

3.b.witschas,c.lemmerz,ando.reitebuch.2012.horizontallidarmeasurementsfortheproofofspontaneousrayleigh-brillouinscatteringintheatmosphere.appl.opt.51,6207–6219.