大氣溫度作為描述大氣狀態(tài)的重要參數(shù),它反映了空氣的冷暖程度,其對于氣候變化、大氣污染的研究以及極端天氣的預(yù)警起著十分關(guān)鍵的作用。激光雷達(dá)作為一種主動遙感探測手段,因其具有高時空分辨率特點且能進(jìn)行長時間觀測,被廣泛應(yīng)用于大氣溫度測量中。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動拉曼測溫激光雷達(dá)分光系統(tǒng)體積大、調(diào)節(jié)困難,很難被應(yīng)用于星載激光雷達(dá)中,光纖布拉格光柵(FBG)彌補了上述缺點。因此開展全光纖分光轉(zhuǎn)動拉曼測溫激光雷達(dá)的研究,為星載激光雷達(dá)對大氣溫度廓線的有效探測提供了途徑。本文基于轉(zhuǎn)動拉曼測溫激光雷達(dá)的探測原理,以532.2nm脈沖激光作為光源,設(shè)計了全光纖分光測溫激光雷達(dá)。系統(tǒng)采用光纖布拉格光柵作為核心分光器件,利用兩級分光結(jié)構(gòu)分別提取中心波長為529.1 6nm(轉(zhuǎn)動量子數(shù)J=14)和530.96nm(轉(zhuǎn)動量子數(shù)J=6)的高低量子通道信號,實現(xiàn)對米-瑞利散射信號10-7的抑制率。進(jìn)行夜間實驗探測,結(jié)果表明,所搭建的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)800m以下的大氣溫度探測,系統(tǒng)有效且方案可行。實驗中,望遠(yuǎn)鏡接收到的回波信號通過多模光纖耦合至分光系統(tǒng)中,分光系統(tǒng)的分光器件為光纖布拉格光柵,它是以單模光纖為基底制作而成的。由于多模光纖與單模光纖直徑相差很大,會存在耦合效率低的問題,由此提出利用光子燈籠來提高其耦合效率。光子燈籠是一種連接單個多模波導(dǎo)和多個單模波導(dǎo)的低損耗器件,通過光學(xué)設(shè)計軟件對三種不同的光子燈籠進(jìn)行仿真,結(jié)果表明光子燈籠能夠有效提高耦合效率,其中三根單模光纖正三角形排布的光子燈籠的總耦合效率最高為2.27%,使用光子燈籠作為耦合器件的分光系統(tǒng),能有效提高系統(tǒng)信噪比。全光纖分光系統(tǒng)作為星載儀器,會經(jīng)歷運輸過程中的隨機(jī)振動環(huán)境、發(fā)射過程中的加速度環(huán)境、在軌運行中的正弦振動環(huán)境和著陸過程中的沖擊環(huán)境。利用有限元分析法從頻率、加速度、沖擊、隨機(jī)振動、正弦振動幾個方面對全光纖分光系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗證。結(jié)果表明全光纖分光系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)大于衛(wèi)星的正常工作頻率,不會與分光系統(tǒng)發(fā)生共振;在對其施加加速度、沖擊、隨機(jī)振動及正弦振動激勵后,所產(chǎn)生的應(yīng)力、位移也不會對分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成破壞,不會使懸臂梁產(chǎn)生永久變形,不影響分光系統(tǒng)正常工作使用,分光系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN958.98
【部分圖文】：

圖 1-1 大氣溫度垂直分布圖Fig.1-1 Vertical distribution of atmospheric temperature描述大氣狀態(tài)的重要指標(biāo)，不僅能表示空氣的烈性�？諝馕⒘Ｗ拥臒徇\動隨著氣溫的升高愈速了大氣中污染物的擴(kuò)散傳播；而氣溫降低時少。在對流層中，氣溫與高度成反比，這就能特殊條件下，會導(dǎo)致溫度隨著高度的增高而增經(jīng)濟(jì)全球化的同時也將工廠帶到全球各地，污在一些欠發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)，大批量建造工廠，由于缺少相關(guān)法律政策的約束，導(dǎo)致大量的引發(fā)了倫敦毒霧、洛杉磯光化學(xué)煙霧等環(huán)境災(zāi)高，產(chǎn)生城市熱島效應(yīng)和厄爾尼諾現(xiàn)象，使得溫度的精準(zhǔn)探測對于氣候變化、大氣污染的研]。

基礎(chǔ)理論大于 8 時，后向散射截面與溫度正相關(guān)，隨著溫度升高，nm 處（轉(zhuǎn)動量子數(shù) J=14），后向散射截面隨溫度的正變化動量子數(shù) J=14）作為高轉(zhuǎn)動量子數(shù)拉曼通道中心波長。

9圖 2-3 轉(zhuǎn)動拉曼譜線溫度靈敏度Fig.2-3 Temperature sensitivity of rotational Raman spectrum lines達(dá)的回波信號可表示為公式(2-4)：' 20c( , ) ( ) ( , ) exp[ 2 ( ) 2zrAP T z K P Y z β T z α z z 統(tǒng)效率；P 是激光器的功率； 是激光器脈沖寬度；Ar是度；Y(z)是幾何重疊因子，它的取值不大于 1，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡 1，不能接收所有的發(fā)射信號時 Y(z)小于 1；β(T, z)是溫的值；α(z’)是消光系數(shù)在 z’處的值。量子數(shù)通道所接收到的回波信號分別為 PH(T, z)和 PL(T, z)

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本文編號：2829085