【摘要】：大氣溫度是重要的大氣物理參量,它的變化會(huì)直接影響到生物的生存以及人類的生產(chǎn)。近年來全球變暖與極端天氣頻發(fā)無不與大氣溫度密切相關(guān)。因此,開展全天時(shí)大氣溫度的探測對于研究大氣科學(xué)、全球變暖與極端天氣的關(guān)聯(lián)性、天氣預(yù)報(bào)等具有非常重要的意義。本文提出一種全天時(shí)大氣溫度探測的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng),選用Nd:YAG脈沖激光器的四倍頻輸出266.0nm作為激勵(lì)波長,從而使得發(fā)射光譜及其激勵(lì)的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜均處于日盲紫外波段內(nèi),避開了強(qiáng)烈的太陽背景光對系統(tǒng)探測造成的影響。為了提取適宜的日盲紫外純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線作為大氣溫度的反演對象,本文分別計(jì)算了不同溫度對下三種不同提取方案的溫度測量不確定度。經(jīng)過綜合比較分析,最終確定日盲紫外純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜的最佳提取方案,即在Stokes分支高低量子數(shù)通道選取以J=16為中心的5條和以J=5為中心的3條N2和O2的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線,在Anti-Stokes分支高低量子數(shù)通道選取以J=18為中心的5條和J=7為中心的3條N2和O2純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線作為提取目標(biāo)。為了分離提取這些具有不同溫度靈敏度的日盲紫外純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線,本文分別設(shè)計(jì)了一種二次衍射式光柵多色儀和一種三次衍射式雙光柵多色儀作為分光系統(tǒng),并系統(tǒng)分析了二次衍射式光柵多色儀的結(jié)構(gòu)、特性和參數(shù)等。三次衍射式雙光柵多色儀是在二次衍射式光柵多色儀的基礎(chǔ)增加一次衍射式光柵多色儀作為二級分光結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的,其可以提高對米-瑞利散射信號的抑制率。ZEMAX光學(xué)仿真表明,二次衍射式光柵多色儀與三次衍射式雙光柵多色儀均可實(shí)現(xiàn)日盲紫外純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線的有效分離與提取。論文最后開展了日盲紫外純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)的系統(tǒng)仿真與性能分析研究。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,在臭氧濃度分別為5μg/L、10μg/L、15μg/L、20μg/L、25μ/L、30μg/L,生物氣溶膠濃度為1000顆粒/L時(shí),并充分考慮臭氧吸收以及熒光對系統(tǒng)探測性能的影響時(shí),所設(shè)計(jì)的日盲紫外純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)在模擬探測模式下,可分別實(shí)現(xiàn)2.5km、2.2km、1.9km、1.7km、1.6km、1.5km高度范圍內(nèi)大氣溫度的全天時(shí)探測。
【圖文】：

圖 3-22 二次衍射式光柵多色儀的 ZEMAX 仿真Fig.3-22 ZEMAX simulation of the grating polychromator with double diffrac 為 ZEMAX 仿真軟件對二次衍射式光柵多色儀進(jìn)行光學(xué)仿真的結(jié) 光學(xué)仿真中，本文選取了 10 條具有代表性的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線以為入射光波長，從而得到它們在焦平面上的光斑分布圖，如圖 3條純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線在光纖陣列端面 F 上的光斑分布圖，從上至下道拉曼譜線 J=18、J=16、J=14 的光斑，Stokes 低量子數(shù)通道拉，米-瑞利彈性散射回波信號的光斑，，Anti-Stokes 低量子數(shù)通道拉，Anti-Stokes 高量子數(shù)通道拉曼譜線 J=16、J=18、J=20 的光斑。曼散射光譜可有效地聚焦到 300~500μm 的多模光纖陣列中去，從的精細(xì)分離以及提取。6mm(a)J=18J=16J=14J=4J=6Stokes PRRLStokes PRRH5436ensity/arb.units

圖3-25 為其結(jié)構(gòu)示意圖，圖中左側(cè)為二次衍射式光柵多色儀，右側(cè)是為了提高對米-瑞利彈性散射信號抑制率而增加的一次衍射式光柵多色儀。圖 3-25 三次衍射式雙光柵多色儀的 ZEMAX 仿真Fig.3-25 ZEMAX simulation of the grating polychromator with triple diffractions在對三次衍射式光柵多色儀的 ZEMAX 光學(xué)仿真中，本文同樣選取了 10 條具有代表性的純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線以及激勵(lì)波長 266.0nm 作為系統(tǒng)入射光波長，其仿真結(jié)果如圖 3-26所示。圖 3-26 為 Anti-Stokes 與 Stokes 高低量子數(shù)四個(gè)通道在光纖陣列端面 F2 上的光斑分布圖，從上至下依次為 Anti-Stokes 高量子數(shù)通道和低量子數(shù)通道以及 Stokes 低量子數(shù)通道和高量子數(shù)通道回波信號的光斑。仿真結(jié)果表明三次衍射式雙光柵多色儀可以有效地分離并提取 Stokes 分支與 Anti-Stokes 分支高低量子數(shù)這四個(gè)通道的回波信號，實(shí)現(xiàn)了日盲紫外純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼光譜精細(xì)分離的目的。而對于三次衍射式雙光柵多色儀對米-瑞利信號的抑制率，尚需要實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行驗(yàn)證，但是目前常規(guī)的雙光柵多色儀已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對米signals from telescopeoptical fiberPMT 2GG2L2FF2MLdouble-gratings polychromator with triple diffractionsgrating with double diffractionsgrating with single diffractionPMT 1Ramanspectrum
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN23;TN958.98

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本文編號：2709211