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）
2、使用授权声明海南师范大学有权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
3、体发展趋-4第三章：激光雷达大气探测技术-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-100作者：XXX 指导老师：XXX（副教授）（海南师范大学物理学，海口，571158）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
4、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)(Physics of Hainan Normal University , Haikou, 571158)Abstract :In order to understand the sp
5、ace 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 det
6、ection 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 universitys sp
7、ace 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 technology1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
8、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
9、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
10、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2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
11、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、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
12、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
13、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，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，3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
14、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
15、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
16、.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。44. 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
17、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激光器发射激光室光学平台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接收望远镜光学平台延迟器前放电源Licer 系统工控机450反射镜、步进电机控制器控制柜钠标定系统3.2 激光雷达的工作原理5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
18、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 3-26图 3-2通过图 3-2
19、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
