大氣溫度探測(cè)拉曼散射激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、大氣溫度是大氣物理、天氣分析與預(yù)報(bào)及環(huán)境監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要的大氣氣象參數(shù)。實(shí)時(shí)探測(cè)大氣溫度剖面,對(duì)研究太陽(yáng)輻射,解釋地球溫暖化現(xiàn)象,提高氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度,特別對(duì)研究城市熱島現(xiàn)象等具有重要的意義。拉曼散射激光雷達(dá)利用大氣分子引起的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線(xiàn)強(qiáng)度與大氣溫度的依存特性,實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)探測(cè),具有高的時(shí)空分辨率,在連續(xù)監(jiān)測(cè)和測(cè)量精度等方面所具有的獨(dú)到優(yōu)勢(shì),是其它探測(cè)手段無(wú)法比擬的新穎大氣遙感技術(shù)。 論文在比較現(xiàn)有激光雷達(dá)大氣溫度遙感技術(shù)的

2、基礎(chǔ)上,提出了利用拉曼散射探測(cè)大氣溫度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并對(duì)相關(guān)的大氣溫度拉曼散射激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于拉曼散射信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)于彈性散射要弱3～4個(gè)數(shù)量級(jí),本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高光譜分辨率光柵組合雙層窄帶濾光片的高光譜分辨率的分光器,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)背景光(米散射和瑞利散射信號(hào))下的弱拉曼信號(hào)提取。 激光雷達(dá)系統(tǒng)選用Nd:YAG脈沖激光器的三倍頻波長(zhǎng)(355nm)為光源,口徑250mm的卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡作為接收系統(tǒng),利用高光

3、譜分辨率光柵,小孔光闌組成一次分光系統(tǒng),剔除大部分太陽(yáng)背景光噪音,米散射及瑞利散射信號(hào),利用4個(gè)窄帶濾光器構(gòu)成-個(gè)高光譜分辨率的分光系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)部分太陽(yáng)背景光噪音,米散射及瑞利散射信號(hào)的二次濾波,并提取譜線(xiàn)中心波長(zhǎng)分別為353.9nm和352.5nm的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼信號(hào),從而達(dá)到對(duì)瑞利散射和米散射信號(hào)的7個(gè)數(shù)量級(jí)的抑制率,并實(shí)現(xiàn)白天測(cè)量。 在不同大氣條件下,對(duì)西安城區(qū)低層大氣溫度進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明,在脈沖激光能量250mJ,探測(cè)時(shí)間