纯转动拉曼单支谱激光雷达的研制及全天时大气温度和气溶胶参数测量

发布时间：2021-07-26 09:48

　　我们成功研制了一套纯转动拉曼（pure rotational Raman）单支谱激光雷达。该激光雷达的分光系统采用了滤光片+FPI的组合形式,可以有效地提取N2分子纯转动拉曼谱的两根单支谱线（反斯托克斯J=6和16）的回波信号及弹性散射回波信号。本文从原理出发,介绍了多种利用激光雷达测量大气温度和气溶胶光学参数的方法。其中着重介绍了纯转动拉曼单支谱方法反演大气温度和气溶胶参数的原理,以及纯转动拉曼单支谱激光雷达系统的设计,标定和调试步骤。该激光雷达系统搭建完成后,我们从分光性能检测以及反演结果对比两个方面对系统进行了检验和评估,验证该系统实现了纯转动拉曼单支谱的提取:1.通过谱线扫描的形式,证明分光系统对邻近的反斯托克斯O2PRRJ=7、9、21、23谱线均有两个量级的能量抑制;2.纯转动拉曼单支谱激光雷达反演温度时需要已知两个参量a和b,其中a是一个只与纯转动拉曼单支谱转动能级相关的常数,b是与两个拉曼通道的系统效率比相关的常数,可以通过实验求出。通过对比,a和b的理论值与通过无线电探空仪数据拟合得到的a和b的标定值非常接近,相对偏差仅分别为0.2%和3.5%,如此一致的结果表明该激... 

【文章来源】：武汉大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：95 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．１美国１９７６年标准大气温度剖面??Ｆｉｇｕｒｅ?１．１?Ｕ．Ｓ．?Ｓｔａｎｄａｒｄ?Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ?Ｐｒｏｆｉｌｅ?（１９７６）??

武汉大学博士学位论文，Ａ为玻尔兹曼常数，ｒ代表Ｆｅ原子温度。将两条谱线对应（２．１２）并化简就可以得到：??ＮＦｅ（Ｊ?＝?＝?３７４ｎｍ）?＿?Ａ（３７４）ａ（３７４）ｇ（３７４）?ＡＥ??ＮＦｅ（Ｊ?＝?４，Ａ?＝?３７２ｎｍ）?Ａ（３７２）〇－（３７２）ｇ（３７２）?Ｒ?ｋＴ值?ｃｒ（３７４）?＝?８．７８ｘｌ（Ｔ１３?ｃｍ２，ｃｒ（３７２）?＝?９．４５ｘｌ〇－１３?ｃｗ２?，?ｇ（３７以及两条谱线的波长带入式（２．１３）可得：??Ｔ?＝?＾Ｅ！ｋ???－一?＝?乂?＝?３７４＿??ｇｘ?ＮＦｅ（Ｊ?＝?＾Ａ?＝?＾２ｎｍ）??所得到的Ｆｅ原子温度就可以近似代替该中性大气层的温度。??Ｅ??ｆ＾！??

数和后向散射系数，下面介绍的是一种构造温度不敏感参考信号的方法（Ｂｅｈｒｅｎｄｔ??ｅｔ?ａｌ．，２００２）。纯转动拉曼激光雷达是通过提取纯转动拉曼谱中温度灵敏度相反的??两支或者多支谱实现温度反演的，图２．１（ａ）所示为纯转动拉曼单支谱激光雷达中??所提取的两支谱线（反斯托克斯Ｎ２?ＰＲＲＪ＝６和Ｊ＝１６）随着温度变化的曲线。??已知大气分子的后向散射比可以表示为：??ｆｉｍ＾）?＝?ｎＲ（ｚ）－ａＣａｂｂａｍｓ?（２．３８）??气溶胶的后向散射比可以表示为：??ｒ＾?＝?＾Ｍ±Ｍ＾１?＝?ｉ?＋?Ｍｅ１?（２．３９）??Ｍ?ｐｍ｛ｚ）??其中怂是气溶胶后向散射系数，久是大气分子的后向散射系数。??１９??

【参考文献】：
期刊论文
[1]纯转动拉曼谱反演大气温度和气溶胶后向散射系数的新方法[J]. 钟山,易帆,张绍东.  地球物理学报. 2012(11)

博士论文
[1]采用双光栅多色仪的纯转动拉曼测温激光雷达：光机系统设计、研制和测量结果分析[D]. 贾静宇.武汉大学 2014



本文编号：3303330