基于布里淵激光雷達(dá)的大氣溫度測(cè)量系統(tǒng)研究.pdf

1、當(dāng)前在大氣測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域，激光雷達(dá)大氣測(cè)溫具有實(shí)時(shí)性好、探測(cè)靈敏度高和時(shí)空分辨率好等優(yōu)點(diǎn)，并且可連續(xù)地進(jìn)行高空間分辨率大氣溫度垂直剖面遙感探測(cè)，因而成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。 目前針對(duì)中高層大氣溫度探測(cè)的共振散射激光雷達(dá)和瑞利激光雷達(dá)已經(jīng)有應(yīng)用報(bào)道。由于低空大氣中存在大量的氣溶膠會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)烈的米氏散射信號(hào)干擾，嚴(yán)重影響了瑞利激光雷達(dá)的測(cè)量，因此低空大氣溫度探測(cè)存在測(cè)量精度非常不足的缺陷。通過測(cè)量大氣瑞利-布里淵散射譜的半高線寬實(shí)現(xiàn)對(duì)低

2、空大氣測(cè)溫的方法雖然可以在頻域上減小米氏散射的干擾、提高測(cè)量精度，但是由于散射譜的半高線寬與溫度在理論上僅為近似關(guān)系，所以其測(cè)得的精度也不太理想，大約為5K左右。與此同時(shí)，具有高精度測(cè)溫能力的拉曼激光雷達(dá)可以用于探測(cè)0-11km低空大氣的溫度，其精度小于2K，但是拉曼散射信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)于米氏散射和瑞利散射要小3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)量需要較大的激光能量、接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和高精度高效率的分光器，導(dǎo)致該方法檢測(cè)費(fèi)用昂貴、成本較高，使

3、用范圍受到極大限制。 針對(duì)上述方法的不足，文章提出了一種新型的、通過測(cè)量大氣布里淵頻移實(shí)現(xiàn)對(duì)低空大氣溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)的方法。由于大氣中的布里淵頻移與大氣溫度成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此只要準(zhǔn)確的測(cè)量出大氣布里淵頻移量即可反映出溫度大小。該方法是一種頻域測(cè)量法，可以在頻域上有效的濾除氣溶膠產(chǎn)生的米氏散射干擾，同時(shí)大氣布里淵頻移嚴(yán)格正比于大氣溫度的平方根，因而具有更高的精度。另外，該方法只需用普通瑞利激光雷達(dá)即可實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量，亦大大降低

4、了測(cè)量成本。 文章首先以大氣光學(xué)特性為理論背景，分析了大氣的主要成分及其光學(xué)特性和大氣中瑞利布里淵散射的基本理論。由于布里淵頻移量的大小對(duì)激光雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)參數(shù)的確定非常重要，文章在大氣光學(xué)特性理論基礎(chǔ)上以激光信號(hào)在傳輸介質(zhì)中布里淵散射頻移量模型為基礎(chǔ)，依據(jù)相關(guān)大氣參數(shù)模型和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣（1976）建立基于布里淵散射信號(hào)檢測(cè)的大氣探測(cè)模型。該模型將布里淵頻移量歸一為只與大氣高度這一單參數(shù)相關(guān)的函數(shù)，詳細(xì)地描述了低空大氣范圍內(nèi)布里淵

5、頻移量的連續(xù)分布狀態(tài)。該模型對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，具有很好的指導(dǎo)意義。 由于大氣中瑞利散射譜和布里淵散射譜混疊在一起，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)布里淵頻移量的測(cè)量，需要將布里淵散射譜從大氣瑞利布里淵譜中分辨出來，這也是布里淵激光雷達(dá)系統(tǒng)在大氣測(cè)溫應(yīng)用中最關(guān)鍵性的問題。目前關(guān)于如何能夠從大氣瑞利布里淵譜中分辨出布里淵散射譜尚無成功報(bào)道，這嚴(yán)重制約了布里淵激光雷達(dá)在大氣測(cè)溫中的應(yīng)用。文章利用譜線展寬理論對(duì)大氣中瑞利布里淵散射譜

6、的構(gòu)成機(jī)理進(jìn)行了研究，探索了大氣瑞利布里淵散射頻譜線形函數(shù)構(gòu)成，并驗(yàn)證了理論的正確性。給出了測(cè)量大氣布里淵頻移的方法。通過仿真研究表明，大氣中的瑞利布里淵散射譜的線形函數(shù)可以通過譜線展寬理論來描述，譜線的展寬類型就是由碰撞引起的均勻展寬和多普勒非均勻展寬。散射譜的線形函數(shù)是這兩種展寬因素造成的綜合展寬線形函數(shù)，為三個(gè)洛倫茲曲線和三個(gè)高斯曲線的疊加，其中瑞利散射譜和每一個(gè)布里淵散射譜分別由對(duì)應(yīng)的一個(gè)洛倫茲曲線和一個(gè)高斯曲線疊加而成。文章通

7、過對(duì)瑞利布里淵散射譜的理論分析，可以通過模型計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)布里淵散射譜的分辨，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)布里淵頻移量的準(zhǔn)確測(cè)量，解決了布里淵激光雷達(dá)測(cè)溫系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的問題，為布里淵激光雷達(dá)測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 然后文章依據(jù)理論設(shè)計(jì)了布里淵散射激光雷達(dá)測(cè)溫系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵器件進(jìn)行了選型。其中研究了激光器的單穩(wěn)頻技術(shù)指標(biāo)以及發(fā)射功率大??；法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的光譜

8、范圍、反射率以及精細(xì)度等指標(biāo)和ICCD的分辨率、響應(yīng)時(shí)間、最小門控等參數(shù)指標(biāo)，并最終給出了符合要求的各器件具體型號(hào)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為實(shí)際布里淵散射激光雷達(dá)測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用提供了詳細(xì)的指導(dǎo)。 最后通過激光雷達(dá)回波信號(hào)方程計(jì)算了布里淵激光雷達(dá)測(cè)溫系統(tǒng)的探測(cè)能力，結(jié)果表明布里淵激光雷達(dá)測(cè)溫系統(tǒng)能夠滿足30 km測(cè)量范圍的需要。此外還分析了布里淵激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量大氣溫度的誤差，并對(duì)各物理量具對(duì)溫度測(cè)量精度的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析和數(shù)值計(jì)算。結(jié)果