中高層大氣測溫測風激光雷達研制及重力波觀測.pdf

1、中高層大氣20-120km是一個很重要也很復雜的區(qū)域，它包含了很多重要的地球物理學現(xiàn)象，例如地球最冷的地方-中間層頂、極區(qū)中層云(PMC)、夜光云(NLC)、大氣金屬層(Na，K，Ca，Li，F(xiàn)e)、氣輝層(OH，O，O2)、以及行星波、潮汐波和重力波等對大氣環(huán)流有重要作用的大氣動力學現(xiàn)象。在過去的幾十年里，激光雷達對溫度和密度的探測，時常被用于中高層大氣重力波的研究中;如果要對內(nèi)重力波的特征進行更詳盡的研究，風場波動數(shù)據(jù)必不可少。然而

2、，就目前而言，在平流層和中間層大氣中，能夠實現(xiàn)風速和溫度同時測量的激光雷達系統(tǒng)非常稀少。迄今為止，僅有ALOMAR觀測站的RMR雷達、中國科學技術大學的車載瑞利多普勒測風激光雷達、以及美國科羅拉多大學Chu教授課題組基于Na雙邊緣技術的測風激光雷達具備平流層風場和溫度同時進行持續(xù)觀測能力。本文正是從研究測溫測風激光雷達的技術出發(fā)，主要內(nèi)容可以概括成以下三部分:
　　首先，參與研制了中國科學技術大學車載瑞利多普勒激光雷達系統(tǒng)。為了提

3、高系統(tǒng)頻率鎖定的精度和穩(wěn)定性，給出了在法布里-珀羅標準具的前置光學里引入積分球的技術解決方案;在對系統(tǒng)零點進行校準時，利用一個非偏振分束棱鏡代替光纖分束器，使得每一個出射激光脈沖相對于法布里-珀羅標準具信號通道的位置可以精確確定;針對由激光器和法布里-珀羅標準具引起的系統(tǒng)頻譜漂移問題，進行了實驗驗證，最終得到當系統(tǒng)溫控精度達到0.1K時，系統(tǒng)測風誤差可以達到0.6m/s。
　　其次，參與了美國科羅拉多大學STAR雷達的系統(tǒng)升級。針

4、對系統(tǒng)光學效率低的問題，設計了消除望遠鏡像差的實驗方案，并通過ZEMAX對后光纖光路進行追蹤，使得雷達信號提高了5～10倍;設計了法拉第反常色散濾光器，實現(xiàn)了白天觀測;通過數(shù)值模擬，計算了法拉第反常色散濾光器的等效噪聲帶寬，并通過改變工作溫度和磁場，對法拉第反常色散濾光器的性能進行了優(yōu)化。
　　最后，通過對兩套激光雷達觀測數(shù)據(jù)的分析，從溫度和風場同時進行重力波的分析和個例研究。采用2D-FFT分析了風場和溫度擾動的頻譜特性，在用矩