中高层大气测温测风激光雷达研制及重力波观测

发布时间：2017-12-19 03:21

  本文关键词：中高层大气测温测风激光雷达研制及重力波观测

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【摘要】：中高层大气20-120 km是一个很重要也很复杂的区域,它包含了很多重要的地球物理学现象,例如地球最冷的地方-中间层顶、极区中层云(PMC)、夜光云(NLC)、大气金属层(Na,K,Ca,Li,Fe)、气辉层(OH,O,O2)、以及行星波、潮汐波和重力波等对大气环流有重要作用的大气动力学现象。在过去的几十年里,激光雷达对温度和密度的探测,时常被用于中高层大气重力波的研究中；如果要对内重力波的特征进行更详尽的研究,风场波动数据必不可少。然而,就目前而言,在平流层和中间层大气中,能够实现风速和温度同时测量的激光雷达系统非常稀少。迄今为止,仅有ALOMAR观测站的RMR雷达、中国科学技术大学的车载瑞利多普勒测风激光雷达、以及美国科罗拉多大学Chu教授课题组基于Na双边缘技术的测风激光雷达具备平流层风场和温度同时进行持续观测能力。本文正是从研究测温测风激光雷达的技术出发,主要内容可以概括成以下三部分：首先,参与研制了中国科学技术大学车载瑞利多普勒激光雷达系统。为了提高系统频率锁定的精度和稳定性,给出了在法布里-珀罗标准具的前置光学里引入积分球的技术解决方案；在对系统零点进行校准时,利用一个非偏振分束棱镜代替光纤分束器,使得每一个出射激光脉冲相对于法布里-珀罗标准具信号通道的位置可以精确确定；针对由激光器和法布里-珀罗标准具引起的系统频谱漂移问题,进行了实验验证,最终得到当系统温控精度达到0.1 K时,系统测风误差可以达到0.6 m/s。其次,参与了美国科罗拉多大学STAR雷达的系统升级。针对系统光学效率低的问题,设计了消除望远镜像差的实验方案,并通过ZEMAX对后光纤光路进行追踪,使得雷达信号提高了5-10倍；设计了法拉第反常色散滤光器,实现了白天观测；通过数值模拟,计算了法拉第反常色散滤光器的等效噪声带宽,并通过改变工作温度和磁场,对法拉第反常色散滤光器的性能进行了优化。最后,通过对两套激光雷达观测数据的分析,从温度和风场同时进行重力波的分析和个例研究。采用2D-FFT分析了风场和温度扰动的频谱特性,在用矩形窗口进行滤波后,通过IFFT对波的特征进行重构。对于中国科学技术大学车载瑞利多普勒激光雷达的水平风场数据,我们还采用了速度矢量分析来确定其水平传播方向。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN958.98

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本文编号：1306709