【摘要】：火星大氣環(huán)境研究是火星探測(cè)任務(wù)的重要內(nèi)容,近年來受到更多關(guān)注,基于馬赫曾德干涉儀的多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)能夠同時(shí)探測(cè)火星大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)與氣溶膠分布,本文圍繞其所涉及的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù),研究總結(jié)了馬赫曾德干涉儀對(duì)風(fēng)場(chǎng)與氣溶膠同時(shí)探測(cè)的理論,提出了馬赫曾德干涉儀對(duì)大視場(chǎng)角光束入射時(shí)的視場(chǎng)展寬設(shè)計(jì)方法,研究了光電采集系統(tǒng),最后搭建了一套基于馬赫曾德干涉儀的1064 nm多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并進(jìn)行了大氣徑向風(fēng)速與氣溶膠探測(cè)實(shí)驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)在火星地表工作時(shí)的探測(cè)性能進(jìn)行了仿真分析。本論文主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容:(1)研究了基于馬赫曾德干涉儀的多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的基本理論和風(fēng)速反演算法,根據(jù)光學(xué)干涉理論給出馬赫曾德干涉儀對(duì)大氣風(fēng)速、雷達(dá)后向散射比、氣溶膠消光系數(shù)和空氣分子消光系數(shù)反演方法,建立了風(fēng)速探測(cè)誤差隨信噪比變化的理論模型,分析了在地球表面不同發(fā)射激光波長由于散射物質(zhì)運(yùn)動(dòng)造成的光譜展寬對(duì)干涉對(duì)比度的影響,結(jié)果表明在地球表面使用1064 nm發(fā)射激光比使用532 nm或355 nm發(fā)射激光更好,回波信號(hào)干涉對(duì)比度整體更高,風(fēng)速探測(cè)精度更高。(2)針對(duì)馬赫曾德干涉儀的視場(chǎng)展寬需求,分析比較了棱鏡式視場(chǎng)展寬方案與“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)展寬的各自理論,給出用棱鏡實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)展寬時(shí)能夠?qū)⒐獬滩铍S入射視場(chǎng)角φ的變化壓縮至φ~4量級(jí)的理論證明,針對(duì)“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)難以解析表達(dá)其視場(chǎng)展寬能力的問題,建立了斜入射光線進(jìn)入“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)時(shí)經(jīng)歷的光程模型,用數(shù)值計(jì)算方法給出數(shù)值解,計(jì)算結(jié)果顯示,“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)展寬性能不如棱鏡的視場(chǎng)展寬性能高;提出使用壓電晶體掃描干涉儀光程差獲取其透射譜的方案,克服了溫度掃描方案掃描速度慢和不可控的困難;設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于棱鏡視場(chǎng)展寬的馬赫曾德干涉儀,在入射視場(chǎng)角為11 mrad時(shí)干涉對(duì)比度最高達(dá)0.93,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明視場(chǎng)展寬設(shè)計(jì)方案正確合理,干涉儀性能良好,滿足多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的使用需求。(3)研究了火星大氣氣溶膠反演方法,根據(jù)“鳳凰號(hào)”著陸器米散射激光雷達(dá)采集的回波數(shù)據(jù)反演了火星大氣氣溶膠消光系數(shù)廓線。針對(duì)原始數(shù)據(jù)中光子計(jì)數(shù)信號(hào)在近場(chǎng)存在的非線性效應(yīng),采用一種死區(qū)時(shí)間校正的方法拼接了無非線性效應(yīng)的模擬探測(cè)信號(hào)與遠(yuǎn)場(chǎng)的光子計(jì)數(shù)信號(hào),利用拼接的信號(hào)反演了火星大氣氣溶膠消光系數(shù)廓線并校正了重疊因子,獲得了火星表面0-20 km高度范圍內(nèi)的氣溶膠分布信息。根據(jù)火星表面的氣溶膠消光系數(shù)廓線,仿真了所設(shè)計(jì)的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)在火星表面工作時(shí)的回波光功率進(jìn)而計(jì)算了回波信噪比,以信噪比為100距離處為有效風(fēng)速探測(cè)距離,分析了累加平均次數(shù)、脈沖激光能量和系統(tǒng)光學(xué)效率對(duì)有效風(fēng)速探測(cè)距離的影響。(4)研制了基于馬赫曾德干涉儀的多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng),在地球表面對(duì)地球大氣風(fēng)速與氣溶膠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。搭建了光學(xué)收發(fā)系統(tǒng),使用自研的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收激光雷達(dá)回波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在發(fā)射激光能量為169 mJ,累加平均次數(shù)為32次時(shí)可以接收到4 km距離的散射回波信號(hào),有效徑向風(fēng)速探測(cè)距離1340 m,垂直分辨率為7.5 m,徑向風(fēng)速探測(cè)精度在信噪比為100時(shí)為2m/s,信噪比為1000時(shí)為0.2 m/s。分析了干涉儀自身干涉對(duì)比度對(duì)風(fēng)速探測(cè)精度的影響,結(jié)果表明干涉儀干涉對(duì)比度在0.6-1范圍內(nèi)對(duì)風(fēng)速探測(cè)精度影響較小,而小于0.5時(shí)則影響很大。分析了室溫變化對(duì)系統(tǒng)工作的影響,發(fā)現(xiàn)使用馬赫曾德干涉儀測(cè)風(fēng)時(shí)探測(cè)誤差對(duì)室溫變化不敏感。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN958.98;V476.4
【圖文】：

重頻 200 Hz。由于 10 μm 長波長相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)受天氣影響大，比如多云或大霧天氣下存在強(qiáng)烈的氣溶膠吸收，系統(tǒng)不能良好工作，只有在晴朗溫和的天氣條件下可以正常工作，這和一般的微波測(cè)風(fēng)雷達(dá)正好相反，因此有人提出將二者集成在一套系統(tǒng)中互補(bǔ)，以工作于各種天氣情況。然而隨著激光器的發(fā)展，1.06 μm 的固體激光器很快發(fā)展出來并被應(yīng)用于相干科技公司的硬目標(biāo)反射型相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)[15]，該雷達(dá)單脈沖能量 1 J，可以探測(cè)高達(dá) 26 km 的大氣風(fēng)速，首次將基于固體激光器的雷達(dá)探測(cè)高度延伸到平流層。1996 年，NASA 蘭利研究中心與洛克希德馬丁公司合作制造了 2 μm 相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)[16]，主要用來探測(cè)機(jī)場(chǎng)地表風(fēng)切變。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的 CLASS-2 系統(tǒng)可以探測(cè)風(fēng)切變和飛機(jī)尾流渦旋，其原理圖如圖 1-1 所示，系統(tǒng)首次使用了一臺(tái) 3W 功率的二極管泵浦固體 Tm：YAG 激光器，脈寬 500 ns。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基于 2 μm固體激光器的激光雷達(dá)在集成性、性能和可靠性上優(yōu)于 10 μm 相干激光雷達(dá)。

圖 1-2 三菱電機(jī) 1.5μm 人眼安全相干多普勒激光雷達(dá)Figure 1-2 The Mitsubishi Electric company’s 1.5μm eye-safe coherent doppler lidar國內(nèi)相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)雖然起步較晚但近些年發(fā)展迅速，典型的幾個(gè)相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)信息統(tǒng)計(jì)如下：表 1-1 國內(nèi)相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)研究進(jìn)展Table 1-1 Domestic coherent doppler lidar research status作者 作者單位 時(shí)間 系統(tǒng) 性能參數(shù)

測(cè)距離3.2 非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)概述盡管相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，但由于其無法對(duì)氣溶膠稀少氣分子占據(jù)主要部分的對(duì)流層以上大氣風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，而非相干測(cè)風(fēng)激光雷能探測(cè)氣溶膠米散射信號(hào)又能探測(cè)空氣分子瑞利散射信號(hào)，因此非相干測(cè)風(fēng)雷達(dá)自誕生起就得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)分為邊緣檢測(cè)型與條紋成像型兩種。邊緣檢測(cè)技術(shù)使2 個(gè)窄帶濾光元件（如氣體池或 Fabry-Perot 干涉儀），利用發(fā)射激光頻率改經(jīng)過濾光元件的透過率不同來反演激光頻移進(jìn)而反演風(fēng)速，如圖 1-3 所示是雙邊緣的非相干多普勒激光雷達(dá)發(fā)射光譜、回波光譜與兩個(gè)濾光元件的透過關(guān)系圖[28]。條紋成像型非相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)則是使用 CCD 等成像元件觀測(cè)回波頻移引起的干涉條紋變化來反演風(fēng)速[29,30]。

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本文編號(hào)：2786033