基于马赫曾德干涉仪的火星风场探测激光雷达技术研究

发布时间：2020-08-08 19:49

【摘要】：火星大气环境研究是火星探测任务的重要内容,近年来受到更多关注,基于马赫曾德干涉仪的多普勒测风激光雷达能够同时探测火星大气边界层风场与气溶胶分布,本文围绕其所涉及的科学问题和关键技术,研究总结了马赫曾德干涉仪对风场与气溶胶同时探测的理论,提出了马赫曾德干涉仪对大视场角光束入射时的视场展宽设计方法,研究了光电采集系统,最后搭建了一套基于马赫曾德干涉仪的1064 nm多普勒测风激光雷达实验系统,并进行了大气径向风速与气溶胶探测实验,对系统在火星地表工作时的探测性能进行了仿真分析。本论文主要包括以下几个方面内容:(1)研究了基于马赫曾德干涉仪的多普勒测风激光雷达的基本理论和风速反演算法,根据光学干涉理论给出马赫曾德干涉仪对大气风速、雷达后向散射比、气溶胶消光系数和空气分子消光系数反演方法,建立了风速探测误差随信噪比变化的理论模型,分析了在地球表面不同发射激光波长由于散射物质运动造成的光谱展宽对干涉对比度的影响,结果表明在地球表面使用1064 nm发射激光比使用532 nm或355 nm发射激光更好,回波信号干涉对比度整体更高,风速探测精度更高。(2)针对马赫曾德干涉仪的视场展宽需求,分析比较了棱镜式视场展宽方案与“猫眼”光学系统视场展宽的各自理论,给出用棱镜实现视场展宽时能够将光程差随入射视场角φ的变化压缩至φ~4量级的理论证明,针对“猫眼”光学系统难以解析表达其视场展宽能力的问题,建立了斜入射光线进入“猫眼”光学系统时经历的光程模型,用数值计算方法给出数值解,计算结果显示,“猫眼”光学系统的视场展宽性能不如棱镜的视场展宽性能高;提出使用压电晶体扫描干涉仪光程差获取其透射谱的方案,克服了温度扫描方案扫描速度慢和不可控的困难;设计并实现了一种基于棱镜视场展宽的马赫曾德干涉仪,在入射视场角为11 mrad时干涉对比度最高达0.93,实验结果证明视场展宽设计方案正确合理,干涉仪性能良好,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。(3)研究了火星大气气溶胶反演方法,根据“凤凰号”着陆器米散射激光雷达采集的回波数据反演了火星大气气溶胶消光系数廓线。针对原始数据中光子计数信号在近场存在的非线性效应,采用一种死区时间校正的方法拼接了无非线性效应的模拟探测信号与远场的光子计数信号,利用拼接的信号反演了火星大气气溶胶消光系数廓线并校正了重叠因子,获得了火星表面0-20 km高度范围内的气溶胶分布信息。根据火星表面的气溶胶消光系数廓线,仿真了所设计的测风激光雷达系统在火星表面工作时的回波光功率进而计算了回波信噪比,以信噪比为100距离处为有效风速探测距离,分析了累加平均次数、脉冲激光能量和系统光学效率对有效风速探测距离的影响。(4)研制了基于马赫曾德干涉仪的多普勒测风激光雷达系统,在地球表面对地球大气风速与气溶胶进行了实验观测。搭建了光学收发系统,使用自研的数据采集系统接收激光雷达回波信号。实验结果显示:在发射激光能量为169 mJ,累加平均次数为32次时可以接收到4 km距离的散射回波信号,有效径向风速探测距离1340 m,垂直分辨率为7.5 m,径向风速探测精度在信噪比为100时为2m/s,信噪比为1000时为0.2 m/s。分析了干涉仪自身干涉对比度对风速探测精度的影响,结果表明干涉仪干涉对比度在0.6-1范围内对风速探测精度影响较小,而小于0.5时则影响很大。分析了室温变化对系统工作的影响,发现使用马赫曾德干涉仪测风时探测误差对室温变化不敏感。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958.98;V476.4
【图文】：

原理图,激光雷达系统,激光雷达,测风

重频 200 Hz。由于 10 μm 长波长相干测风激光雷达受天气影响大，比如多云或大雾天气下存在强烈的气溶胶吸收，系统不能良好工作，只有在晴朗温和的天气条件下可以正常工作，这和一般的微波测风雷达正好相反，因此有人提出将二者集成在一套系统中互补，以工作于各种天气情况。然而随着激光器的发展，1.06 μm 的固体激光器很快发展出来并被应用于相干科技公司的硬目标反射型相干测风激光雷达[15]，该雷达单脉冲能量 1 J，可以探测高达 26 km 的大气风速，首次将基于固体激光器的雷达探测高度延伸到平流层。1996 年，NASA 兰利研究中心与洛克希德马丁公司合作制造了 2 μm 相干测风激光雷达[16]，主要用来探测机场地表风切变。该项目设计的 CLASS-2 系统可以探测风切变和飞机尾流涡旋，其原理图如图 1-1 所示，系统首次使用了一台 3W 功率的二极管泵浦固体 Tm：YAG 激光器，脉宽 500 ns。对比发现，基于 2 μm固体激光器的激光雷达在集成性、性能和可靠性上优于 10 μm 相干激光雷达。

测风,多普勒激光雷达,人眼安全,激光雷达

图 1-2 三菱电机 1.5μm 人眼安全相干多普勒激光雷达Figure 1-2 The Mitsubishi Electric company’s 1.5μm eye-safe coherent doppler lidar国内相干测风激光雷达虽然起步较晚但近些年发展迅速，典型的几个相干测风激光雷达系统信息统计如下：表 1-1 国内相干测风激光雷达研究进展Table 1-1 Domestic coherent doppler lidar research status作者作者单位时间系统性能参数

光谱图,双边缘,滤光器,激光光谱

测距离3.2 非相干测风激光雷达概述尽管相干测风激光雷达已经发展得相当成熟，但由于其无法对气溶胶稀少气分子占据主要部分的对流层以上大气风场进行探测，而非相干测风激光雷能探测气溶胶米散射信号又能探测空气分子瑞利散射信号，因此非相干测风雷达自诞生起就得到快速发展和广泛应用。非相干测风激光雷达分为边缘检测型与条纹成像型两种。边缘检测技术使2 个窄带滤光元件（如气体池或 Fabry-Perot 干涉仪），利用发射激光频率改经过滤光元件的透过率不同来反演激光频移进而反演风速，如图 1-3 所示是双边缘的非相干多普勒激光雷达发射光谱、回波光谱与两个滤光元件的透过关系图[28]。条纹成像型非相干测风激光雷达则是使用 CCD 等成像元件观测回波频移引起的干涉条纹变化来反演风速[29,30]。

【相似文献】