基于布里淵激光雷達的大氣溫度測量系統(tǒng)研究.pdf

1、當前在大氣測溫技術(shù)領(lǐng)域，激光雷達大氣測溫具有實時性好、探測靈敏度高和時空分辨率好等優(yōu)點，并且可連續(xù)地進行高空間分辨率大氣溫度垂直剖面遙感探測，因而成為一個新的研究熱點。 目前針對中高層大氣溫度探測的共振散射激光雷達和瑞利激光雷達已經(jīng)有應(yīng)用報道。由于低空大氣中存在大量的氣溶膠會產(chǎn)生很強烈的米氏散射信號干擾，嚴重影響了瑞利激光雷達的測量，因此低空大氣溫度探測存在測量精度非常不足的缺陷。通過測量大氣瑞利-布里淵散射譜的半高線寬實現(xiàn)對低

2、空大氣測溫的方法雖然可以在頻域上減小米氏散射的干擾、提高測量精度，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，所以其測得的精度也不太理想，大約為5K左右。與此同時，具有高精度測溫能力的拉曼激光雷達可以用于探測0-11km低空大氣的溫度，其精度小于2K，但是拉曼散射信號的強度相對于米氏散射和瑞利散射要小3～4個數(shù)量級，因此為實現(xiàn)準確的測量需要較大的激光能量、接收望遠鏡系統(tǒng)和高精度高效率的分光器，導(dǎo)致該方法檢測費用昂貴、成本較高，使

3、用范圍受到極大限制。 針對上述方法的不足，文章提出了一種新型的、通過測量大氣布里淵頻移實現(xiàn)對低空大氣溫度進行實時探測的方法。由于大氣中的布里淵頻移與大氣溫度成一一對應(yīng)的關(guān)系，因此只要準確的測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，同時大氣布里淵頻移嚴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即可實現(xiàn)溫度的測量，亦大大降低

4、了測量成本。 文章首先以大氣光學特性為理論背景，分析了大氣的主要成分及其光學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激光雷達收發(fā)系統(tǒng)參數(shù)的確定非常重要，文章在大氣光學特性理論基礎(chǔ)上以激光信號在傳輸介質(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)模型和美國標準大氣（1976）建立基于布里淵散射信號檢測的大氣探測模型。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)。該模型對激光雷達系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計提供了理論依據(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)對布里淵頻移量的測量，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系統(tǒng)在大氣測溫應(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道，這嚴重制約了布里淵激光雷達在大氣測溫中的應(yīng)用。文章利用譜線展寬理論對大氣中瑞利布里淵散射譜

6、的構(gòu)成機理進行了研究，探索了大氣瑞利布里淵散射頻譜線形函數(shù)構(gòu)成，并驗證了理論的正確性。給出了測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)，為三個洛倫茲曲線和三個高斯曲線的疊加，其中瑞利散射譜和每一個布里淵散射譜分別由對應(yīng)的一個洛倫茲曲線和一個高斯曲線疊加而成。文章通

7、過對瑞利布里淵散射譜的理論分析，可以通過模型計算實現(xiàn)對布里淵散射譜的分辨，從而實現(xiàn)對布里淵頻移量的準確測量，解決了布里淵激光雷達測溫系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的問題，為布里淵激光雷達測溫系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了堅實的理論基礎(chǔ)。 然后文章依據(jù)理論設(shè)計了布里淵散射激光雷達測溫系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，進行了激光雷達探測系統(tǒng)的光路設(shè)計，并對整個激光雷達探測系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵器件進行了選型。其中研究了激光器的單穩(wěn)頻技術(shù)指標以及發(fā)射功率大??；法布里-珀羅標準具的光譜

8、范圍、反射率以及精細度等指標和ICCD的分辨率、響應(yīng)時間、最小門控等參數(shù)指標，并最終給出了符合要求的各器件具體型號。該系統(tǒng)的設(shè)計為實際布里淵散射激光雷達測溫系統(tǒng)的應(yīng)用提供了詳細的指導(dǎo)。 最后通過激光雷達回波信號方程計算了布里淵激光雷達測溫系統(tǒng)的探測能力，結(jié)果表明布里淵激光雷達測溫系統(tǒng)能夠滿足30 km測量范圍的需要。此外還分析了布里淵激光雷達系統(tǒng)測量大氣溫度的誤差，并對各物理量具對溫度測量精度的影響進行了詳細分析和數(shù)值計算。結(jié)果