日盲紫外域纯转动拉曼激光雷达探测大气温度技术研究
发布时间：2020-06-12 07:36
【摘要】：大气温度是重要的大气物理参量,它的变化会直接影响到生物的生存以及人类的生产。近年来全球变暖与极端天气频发无不与大气温度密切相关。因此,开展全天时大气温度的探测对于研究大气科学、全球变暖与极端天气的关联性、天气预报等具有非常重要的意义。本文提出一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统,选用Nd:YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0nm作为激励波长,从而使得发射光谱及其激励的纯转动拉曼光谱均处于日盲紫外波段内,避开了强烈的太阳背景光对系统探测造成的影响。为了提取适宜的日盲紫外纯转动拉曼谱线作为大气温度的反演对象,本文分别计算了不同温度对下三种不同提取方案的温度测量不确定度。经过综合比较分析,最终确定日盲紫外纯转动拉曼光谱的最佳提取方案,即在Stokes分支高低量子数通道选取以J=16为中心的5条和以J=5为中心的3条N2和O2的纯转动拉曼谱线,在Anti-Stokes分支高低量子数通道选取以J=18为中心的5条和J=7为中心的3条N2和O2纯转动拉曼谱线作为提取目标。为了分离提取这些具有不同温度灵敏度的日盲紫外纯转动拉曼谱线,本文分别设计了一种二次衍射式光栅多色仪和一种三次衍射式双光栅多色仪作为分光系统,并系统分析了二次衍射式光栅多色仪的结构、特性和参数等。三次衍射式双光栅多色仪是在二次衍射式光栅多色仪的基础增加一次衍射式光栅多色仪作为二级分光结构所构成的,其可以提高对米-瑞利散射信号的抑制率。ZEMAX光学仿真表明,二次衍射式光栅多色仪与三次衍射式双光栅多色仪均可实现日盲紫外纯转动拉曼谱线的有效分离与提取。论文最后开展了日盲紫外纯转动拉曼激光雷达的系统仿真与性能分析研究。系统仿真结果表明,在臭氧浓度分别为5μg/L、10μg/L、15μg/L、20μg/L、25μ/L、30μg/L,生物气溶胶浓度为1000颗粒/L时,并充分考虑臭氧吸收以及荧光对系统探测性能的影响时,所设计的日盲紫外纯转动拉曼激光雷达系统在模拟探测模式下,可分别实现2.5km、2.2km、1.9km、1.7km、1.6km、1.5km高度范围内大气温度的全天时探测。
【图文】：
图 3-22 二次衍射式光栅多色仪的 ZEMAX 仿真Fig.3-22 ZEMAX simulation of the grating polychromator with double diffrac 为 ZEMAX 仿真软件对二次衍射式光栅多色仪进行光学仿真的结 光学仿真中，本文选取了 10 条具有代表性的纯转动拉曼谱线以为入射光波长，从而得到它们在焦平面上的光斑分布图，如图 3条纯转动拉曼谱线在光纤阵列端面 F 上的光斑分布图，从上至下道拉曼谱线 J=18、J=16、J=14 的光斑，Stokes 低量子数通道拉，米-瑞利弹性散射回波信号的光斑，，Anti-Stokes 低量子数通道拉，Anti-Stokes 高量子数通道拉曼谱线 J=16、J=18、J=20 的光斑。曼散射光谱可有效地聚焦到 300~500μm 的多模光纤阵列中去，从的精细分离以及提取。6mm(a)J=18J=16J=14J=4J=6Stokes PRRLStokes PRRH5436ensity/arb.units
图3-25 为其结构示意图，图中左侧为二次衍射式光栅多色仪，右侧是为了提高对米-瑞利弹性散射信号抑制率而增加的一次衍射式光栅多色仪。图 3-25 三次衍射式双光栅多色仪的 ZEMAX 仿真Fig.3-25 ZEMAX simulation of the grating polychromator with triple diffractions在对三次衍射式光栅多色仪的 ZEMAX 光学仿真中，本文同样选取了 10 条具有代表性的纯转动拉曼谱线以及激励波长 266.0nm 作为系统入射光波长，其仿真结果如图 3-26所示。图 3-26 为 Anti-Stokes 与 Stokes 高低量子数四个通道在光纤阵列端面 F2 上的光斑分布图，从上至下依次为 Anti-Stokes 高量子数通道和低量子数通道以及 Stokes 低量子数通道和高量子数通道回波信号的光斑。仿真结果表明三次衍射式双光栅多色仪可以有效地分离并提取 Stokes 分支与 Anti-Stokes 分支高低量子数这四个通道的回波信号，实现了日盲紫外纯转动拉曼光谱精细分离的目的。而对于三次衍射式双光栅多色仪对米-瑞利信号的抑制率，尚需要实验手段进行验证，但是目前常规的双光栅多色仪已经能够实现对米signals from telescopeoptical fiberPMT 2GG2L2FF2MLdouble-gratings polychromator with triple diffractionsgrating with double diffractionsgrating with single diffractionPMT 1Ramanspectrum
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN23;TN958.98
【图文】：
图 3-22 二次衍射式光栅多色仪的 ZEMAX 仿真Fig.3-22 ZEMAX simulation of the grating polychromator with double diffrac 为 ZEMAX 仿真软件对二次衍射式光栅多色仪进行光学仿真的结 光学仿真中，本文选取了 10 条具有代表性的纯转动拉曼谱线以为入射光波长，从而得到它们在焦平面上的光斑分布图，如图 3条纯转动拉曼谱线在光纤阵列端面 F 上的光斑分布图，从上至下道拉曼谱线 J=18、J=16、J=14 的光斑，Stokes 低量子数通道拉，米-瑞利弹性散射回波信号的光斑，，Anti-Stokes 低量子数通道拉，Anti-Stokes 高量子数通道拉曼谱线 J=16、J=18、J=20 的光斑。曼散射光谱可有效地聚焦到 300~500μm 的多模光纤阵列中去，从的精细分离以及提取。6mm(a)J=18J=16J=14J=4J=6Stokes PRRLStokes PRRH5436ensity/arb.units
图3-25 为其结构示意图，图中左侧为二次衍射式光栅多色仪，右侧是为了提高对米-瑞利弹性散射信号抑制率而增加的一次衍射式光栅多色仪。图 3-25 三次衍射式双光栅多色仪的 ZEMAX 仿真Fig.3-25 ZEMAX simulation of the grating polychromator with triple diffractions在对三次衍射式光栅多色仪的 ZEMAX 光学仿真中，本文同样选取了 10 条具有代表性的纯转动拉曼谱线以及激励波长 266.0nm 作为系统入射光波长，其仿真结果如图 3-26所示。图 3-26 为 Anti-Stokes 与 Stokes 高低量子数四个通道在光纤阵列端面 F2 上的光斑分布图，从上至下依次为 Anti-Stokes 高量子数通道和低量子数通道以及 Stokes 低量子数通道和高量子数通道回波信号的光斑。仿真结果表明三次衍射式双光栅多色仪可以有效地分离并提取 Stokes 分支与 Anti-Stokes 分支高低量子数这四个通道的回波信号，实现了日盲紫外纯转动拉曼光谱精细分离的目的。而对于三次衍射式双光栅多色仪对米-瑞利信号的抑制率，尚需要实验手段进行验证，但是目前常规的双光栅多色仪已经能够实现对米signals from telescopeoptical fiberPMT 2GG2L2FF2MLdouble-gratings polychromator with triple diffractionsgrating with double diffractionsgrating with single diffractionPMT 1Ramanspectrum
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN23;TN958.98
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10 王刚,王仕t
本文编号：2709211
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