全光纤分光测温激光雷达实验观测与星载环模分析

发布时间：2020-09-28 17:59

　　大气温度作为描述大气状态的重要参数,它反映了空气的冷暖程度,其对于气候变化、大气污染的研究以及极端天气的预警起着十分关键的作用。激光雷达作为一种主动遥感探测手段,因其具有高时空分辨率特点且能进行长时间观测,被广泛应用于大气温度测量中。传统的转动拉曼测温激光雷达分光系统体积大、调节困难,很难被应用于星载激光雷达中,光纤布拉格光栅(FBG)弥补了上述缺点。因此开展全光纤分光转动拉曼测温激光雷达的研究,为星载激光雷达对大气温度廓线的有效探测提供了途径。本文基于转动拉曼测温激光雷达的探测原理,以532.2nm脉冲激光作为光源,设计了全光纤分光测温激光雷达。系统采用光纤布拉格光栅作为核心分光器件,利用两级分光结构分别提取中心波长为529.1 6nm(转动量子数J=14)和530.96nm(转动量子数J=6)的高低量子通道信号,实现对米-瑞利散射信号10-7的抑制率。进行夜间实验探测,结果表明,所搭建的系统能够实现800m以下的大气温度探测,系统有效且方案可行。实验中,望远镜接收到的回波信号通过多模光纤耦合至分光系统中,分光系统的分光器件为光纤布拉格光栅,它是以单模光纤为基底制作而成的。由于多模光纤与单模光纤直径相差很大,会存在耦合效率低的问题,由此提出利用光子灯笼来提高其耦合效率。光子灯笼是一种连接单个多模波导和多个单模波导的低损耗器件,通过光学设计软件对三种不同的光子灯笼进行仿真,结果表明光子灯笼能够有效提高耦合效率,其中三根单模光纤正三角形排布的光子灯笼的总耦合效率最高为2.27%,使用光子灯笼作为耦合器件的分光系统,能有效提高系统信噪比。全光纤分光系统作为星载仪器,会经历运输过程中的随机振动环境、发射过程中的加速度环境、在轨运行中的正弦振动环境和着陆过程中的冲击环境。利用有限元分析法从频率、加速度、冲击、随机振动、正弦振动几个方面对全光纤分光系统的稳定性进行验证。结果表明全光纤分光系统的固有频率远大于卫星的正常工作频率,不会与分光系统发生共振;在对其施加加速度、冲击、随机振动及正弦振动激励后,所产生的应力、位移也不会对分光系统结构造成破坏,不会使悬臂梁产生永久变形,不影响分光系统正常工作使用,分光系统稳定性良好。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN958.98
【部分图文】：

垂直分布,大气温度,垂直分布

图 1-1 大气温度垂直分布图Fig.1-1 Vertical distribution of atmospheric temperature描述大气状态的重要指标，不仅能表示空气的烈性。空气微粒子的热运动随着气温的升高愈速了大气中污染物的扩散传播；而气温降低时少。在对流层中，气温与高度成反比，这就能特殊条件下，会导致温度随着高度的增高而增经济全球化的同时也将工厂带到全球各地，污在一些欠发达的国家和地区，大批量建造工厂，由于缺少相关法律政策的约束，导致大量的引发了伦敦毒雾、洛杉矶光化学烟雾等环境灾高，产生城市热岛效应和厄尔尼诺现象，使得温度的精准探测对于气候变化、大气污染的研]。

后向散射截面,转动量子数,基础理论,子数

基础理论大于 8 时，后向散射截面与温度正相关，随着温度升高，nm 处（转动量子数 J=14），后向散射截面随温度的正变化动量子数 J=14）作为高转动量子数拉曼通道中心波长。

温度灵敏度,拉曼谱

9图 2-3 转动拉曼谱线温度灵敏度Fig.2-3 Temperature sensitivity of rotational Raman spectrum lines达的回波信号可表示为公式(2-4)：' 20c( , ) ( ) ( , ) exp[ 2 ( ) 2zrAP T z K P Y z β T z α z z 统效率；P 是激光器的功率；是激光器脉冲宽度；Ar是度；Y(z)是几何重叠因子，它的取值不大于 1，当望远镜 1，不能接收所有的发射信号时 Y(z)小于 1；β(T, z)是温的值；α(z’)是消光系数在 z’处的值。量子数通道所接收到的回波信号分别为 PH(T, z)和 PL(T, z)

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