全光纖分光轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)已成為大氣溫度探測(cè)的重要工具,而全球規(guī)模的大氣溫度高精度高時(shí)空分辨率的測(cè)量將極大提高天氣預(yù)報(bào)精度及自然災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)能力,發(fā)展空基平臺(tái)的大氣溫度高精度遙感探測(cè)技術(shù)是當(dāng)前各國(guó)關(guān)注的科學(xué)前沿與研究熱點(diǎn)之一。但是現(xiàn)有轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)分光系統(tǒng)存在調(diào)整復(fù)雜、穩(wěn)定性差、體積大等缺點(diǎn),制約著其在空基平臺(tái)的應(yīng)用,而光纖Bragg光柵技術(shù)具有與光纖完全兼容,高光譜分辨率等優(yōu)點(diǎn),適用于構(gòu)建小型及穩(wěn)定性高的光纖光柵分光系統(tǒng)。因此研究全光纖拉曼

2、分光技術(shù)對(duì)解決傳統(tǒng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)空基平臺(tái)應(yīng)用技術(shù)瓶頸具有重要的科學(xué)研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　論文針對(duì)空基平臺(tái)激光遙感探測(cè)大氣溫度的研究目標(biāo),提出光纖Bragg光柵技術(shù)的全光纖分光轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng),重點(diǎn)研究單模光纖高效耦合技術(shù),光纖Bragg光柵轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼分光技術(shù),可見光波段光纖Bragg光柵研制技術(shù)和全光纖分光轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)搭建等關(guān)鍵技術(shù),為未來(lái)空基平臺(tái)的拉曼激光雷達(dá)大氣溫度高精度探測(cè)技術(shù)提供設(shè)計(jì)思想與技術(shù)支撐。

3、　　針對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)與單模光纖的低耦合效率問(wèn)題,依據(jù)模式匹配耦合理論,建立了空間光場(chǎng)的單模光纖耦合系統(tǒng)的分析模型,提出并設(shè)計(jì)了一種新型的自聚焦透鏡單模光纖耦合系統(tǒng),將接收耦合效率從22％提高至66%。研究了增加耦合能量的光纖陣列結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)得到小芯徑光纖對(duì)類高斯光束的耦合效率比約為芯徑比平方的2.4倍,對(duì)全光纖分光激光雷達(dá)系統(tǒng)搭建具有重要指導(dǎo)意義。
　　針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼測(cè)溫激光雷達(dá)的分光技術(shù)需要對(duì)大氣彈性散射信號(hào)提供70~80 dB

4、抑制率的技術(shù)難點(diǎn),依據(jù)指數(shù)型光致折變模型,提出了刻寫激光束干涉條紋可見度的改進(jìn)耦合模理論模型,改善了光纖Bragg光柵性能的仿真精度。提出了高反射率和高抑制率兩種類型全光纖轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼分光設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),探討了分光方案優(yōu)化激光雷達(dá)系統(tǒng)靈敏度和信噪比的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),仿真分析了高抑制率型光纖Bragg光柵的加工原則,為全光纖轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼分光系統(tǒng)構(gòu)建提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
　　利用改進(jìn)耦合模理論分析模型,開展了可見光波段光纖Bragg研制技

5、術(shù)研究,研發(fā)了國(guó)內(nèi)首支530 nm波段光纖 Bragg光柵,搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試了其性能參數(shù)。研究了光纖Bragg光柵精細(xì)光譜調(diào)諧技術(shù),以近似等強(qiáng)度懸臂梁為核心設(shè)計(jì)了光纖Bragg光柵調(diào)諧機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)光纖Bragg光柵中心波長(zhǎng)與大氣分子轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線的精細(xì)匹配,為全光纖轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼分光系統(tǒng)搭建提供了核心器件和關(guān)鍵技術(shù)。
　　構(gòu)建了全光纖分光轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)的數(shù)學(xué)模型,仿真優(yōu)化了轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼通道的分光參數(shù)。依據(jù)光子計(jì)數(shù)的微弱光信號(hào)檢測(cè)理論,研制了一

6、套光電探測(cè)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)測(cè)試并優(yōu)化了工作高壓、甄別器閾值電平、等效死時(shí)間等參數(shù),構(gòu)建了首臺(tái)新型全光纖光柵分光的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),成功獲得了高度700 m以下的大氣溫度廓線,驗(yàn)證了全光纖轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼分光方案的技術(shù)可行性。
　　理論研究及初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新型全光纖分光系統(tǒng)具有與光纖完全兼容性,并且調(diào)整簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),構(gòu)建的全光纖分光轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)可用于探測(cè)大氣溫度廓線,研究成果可為我國(guó)大氣溫度遙感技術(shù)提供了全新的解