激光雷達(dá)是探測(cè)大氣科學(xué)數(shù)據(jù)的重要手段。偏振激光雷達(dá)因能獲取關(guān)鍵的大氣偏振信息從而成為激光雷達(dá)中不可或缺的重要成員。借鑒偏振微波雷達(dá)的思想,世界上第一臺(tái)偏振激光雷達(dá)于1971年誕生。經(jīng)過(guò)40余年的不斷發(fā)展,偏振激光雷達(dá)理論已日趨成熟。然而與其他偏振測(cè)量系統(tǒng)類(lèi)似,受系統(tǒng)誤差的影響,偏振激光雷達(dá)獲得高精度的大氣偏振信息依然存在很多困難。本文致力于構(gòu)建高精度偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)。基于斯托克斯矢量-米勒矩陣?yán)碚?建立了偏振激光雷達(dá)數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,對(duì)偏振激光雷達(dá)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行詳細(xì)分析,研究系統(tǒng)中關(guān)鍵光學(xué)元件的偏振性質(zhì),著力解決影響偏振激光雷達(dá)探測(cè)精度的主要障礙。本文提出了一系列提高偏振激光雷達(dá)探測(cè)精度的關(guān)鍵技術(shù),并研發(fā)了 一套高精度偏振激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),主要內(nèi)容如下:建立了偏振激光雷達(dá)數(shù)學(xué)模型�；谒雇锌怂故噶�-米勒矩陣?yán)碚?按照功能將偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)分為激光器、發(fā)射模塊、大氣、接收模塊、定標(biāo)模塊、偏振分析模塊以及探測(cè)器模塊等7個(gè)組成部分。每個(gè)部分的偏振性質(zhì)用一個(gè)斯托克斯矢量或者米勒矩陣表征,從而建立起系統(tǒng)參數(shù)與偏振激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。在該數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對(duì)偏振激光雷達(dá)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行了定量分析。計(jì)算了各個(gè)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)偏振激光雷達(dá)探測(cè)精度的影響,明確了包括增益比等在內(nèi)的7個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù),為構(gòu)建高精度偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)指明方向。提出了一種新的增益比定標(biāo)方法。增益比作為偏振激光雷達(dá)中最重要的系統(tǒng)參數(shù)之一,其定標(biāo)結(jié)果直接影響偏振激光雷達(dá)的探測(cè)精度。針對(duì)已有定標(biāo)方法存在關(guān)鍵假設(shè)的缺點(diǎn),本文提出△45°定標(biāo)方法。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明該方法的正確性和可行性。將提出的△45°定標(biāo)方法與已有的±45°定標(biāo)方法進(jìn)行詳細(xì)比較,驗(yàn)證了 △45°定標(biāo)法具有信噪比高、不受大氣狀況、PBS偏振串?dāng)_及其他統(tǒng)參數(shù)的影響等優(yōu)點(diǎn)。首次研究了半波片的偏振性質(zhì)對(duì)增益比定標(biāo)的影響,完善了偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)誤差模型。建立了判斷半波片偏振性質(zhì)的量化標(biāo)準(zhǔn),為選擇符合系統(tǒng)探測(cè)精度要求的半波片提供重要參考。著重研究了半波片處于各種非理想使用狀態(tài)下對(duì)增益比定標(biāo)的影響,明確了真零級(jí)半波片對(duì)于提高偏振激光雷達(dá)探測(cè)精度的重要意義。深入研究了偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)中關(guān)鍵光學(xué)元件的偏振性質(zhì)。首次通過(guò)基于空間矢量的光線(xiàn)追跡算法,得到牛頓式望遠(yuǎn)鏡和卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡的米勒矩陣,進(jìn)而定量分析其對(duì)偏振激光雷達(dá)的影響。研究發(fā)現(xiàn)卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡比牛頓式望遠(yuǎn)鏡具有明顯優(yōu)勢(shì),并分析了光波波長(zhǎng)、鍍膜材料、望遠(yuǎn)鏡朝向及F數(shù)等對(duì)望遠(yuǎn)鏡偏振性質(zhì)的影響。創(chuàng)造性地提出了激光雷達(dá)回波信號(hào)的角分布模型,計(jì)算了望遠(yuǎn)鏡處于不同視場(chǎng)角時(shí)的偏振性質(zhì)。鑒于Nd:YAG激光器在激光雷達(dá)中被廣泛使用,為不同發(fā)射激光波長(zhǎng)、不同偏振態(tài)的偏振激光雷達(dá)選擇了最優(yōu)的望遠(yuǎn)鏡類(lèi)型和鍍膜材料。針對(duì)商用偏振分光棱鏡消光比低的缺點(diǎn),提出一種高精度偏振分光模塊,它能夠?qū)⒎瓷渫ǖ篮屯干渫ǖ赖南獗染岣叩?0000以上。通過(guò)理論仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證了該偏振分光模塊的正確性和可行性。研制了一套無(wú)人值守、可三維掃描的高精度偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)嚴(yán)格按照前面章節(jié)的研究成果進(jìn)行設(shè)計(jì),最大程度地減少了系統(tǒng)誤差對(duì)偏振激光雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的影響。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)候蹲點(diǎn)測(cè)量,在一個(gè)連續(xù)降雪后的夜晚,成功探測(cè)得到退偏比為0.0088的穩(wěn)定大氣回波信號(hào),突破退偏比0.01的限制。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近干凈大氣退偏比的理論值,充分證明所研制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的大氣偏振遙感。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN958.98
【部分圖文】：

ｐｏｌ邋＋邋Ｊｕｎｐｏｌ逡逑大氣散射矩陣式（１．９）中有且只有一個(gè)未知參數(shù)，即大氣退偏參數(shù)ｄ，這是對(duì)大氣粒子逡逑進(jìn)行了諸如隨機(jī)朝向、鏡像對(duì)稱(chēng)等多重假設(shè)的結(jié)果［６】。只有在這個(gè)前提下，圖１．１所示的逡逑雙通道偏振激光雷徸才能夠憑借兩個(gè)通道的強(qiáng)度比（也就是式（１．３）定義的退偏比５），并由逡逑式（１．１２）反演得到大氣遐偏參數(shù)４。因此，只要大氣的散射矩陣滿(mǎn)足式（１．９）的形式，那么由逡逑圖１．１所示的偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)也可以正確地得到大氣偏振信息。幸運(yùn)的是，大氣中的粒逡逑子絕大多數(shù)可以用式（１．９）表征，這是目前遐偏比５依然被廣泛應(yīng)用的原因，盡管它的物理逡逑含義是不正確的。然而，大氣中也存在非隨機(jī)朝向的粒子，其米勒矩陣不再是只有一個(gè)變逡逑量ｄ，只通過(guò)遐偏比５就不能正確地得到大氣偏振性質(zhì)【２Ｑ］。顯然，最理想的方式是將偏振逡逑激光雷達(dá)構(gòu)建成米勒矩陣偏振計(jì)［３５］，得到大氣散射矩陣全部的１６個(gè)元素。盡管已經(jīng)有人進(jìn)逡逑行過(guò)類(lèi)似的嘗試［３６】

２００７年，美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Ｆｌｙｎｎ等人［３３１提出了一種新的單通道偏振激光逡逑雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在原有的同軸收發(fā)微脈沖激光雷徶［４１］基礎(chǔ)上改裝得到的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如逡逑圖１．４所示。激光由激光器出射，通過(guò)半波片對(duì)發(fā)射激光偏振方向進(jìn)行調(diào)整，使得其能夠逡逑最大效率地被后續(xù)光路的ＰＢＳ反射。ＰＢＳ后方放置一個(gè)液晶偏振相位片，其相位延遲量可逡逑控。在該系統(tǒng)中，其相位延遲量分別是０和四分之一波長(zhǎng)，變化的頻率等于發(fā)射激光的脈逡逑沖重復(fù)頻率（２．５邋ｋＨｚ）。望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直發(fā)射激光，并接收回波信號(hào)。當(dāng)液晶偏振相位片的相逡逑位延遲量為０時(shí)，發(fā)射激光是垂直偏振光（相對(duì)于ＰＢＳ入射面），經(jīng)過(guò)大氣散射后，回波信逡逑號(hào)中的非退偏部分依然是垂直偏振光，經(jīng)過(guò)ＰＢＳ時(shí)被反射；而回波信號(hào)中的退偏部分將有逡逑一半透射經(jīng)過(guò)ＰＢＳ，最終被探測(cè)器接收。探測(cè)信號(hào)的斯托克斯矢量為逡逑Ｓ，＝［ｄｌ２邋ｄ／２邐０邐０］７，邐（１．１４）逡逑其中ｄ是大氣的退偏參數(shù)。逡逑：邐＾邋Ｈ邐＾＾＾ｎｕｒｒｏｒ逡逑Ｌ．ｍＷ邋＇＾Ｓｌ＾ｖｅＷ＾邐ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ逡逑ｐｌａｔｅ邐、＿邋

逡逑圖１．３基于光纖延時(shí)的單通道偏振激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。逡逑２００７年，美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Ｆｌｙｎｎ等人［３３１提出了一種新的單通道偏振激光逡逑雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在原有的同軸收發(fā)微脈沖激光雷徶［４１］基礎(chǔ)上改裝得到的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如逡逑圖１．４所示。激光由激光器出射，通過(guò)半波片對(duì)發(fā)射激光偏振方向進(jìn)行調(diào)整，使得其能夠逡逑最大效率地被后續(xù)光路的ＰＢＳ反射。ＰＢＳ后方放置一個(gè)液晶偏振相位片，其相位延遲量可逡逑控。在該系統(tǒng)中，其相位延遲量分別是０和四分之一波長(zhǎng)，變化的頻率等于發(fā)射激光的脈逡逑沖重復(fù)頻率（２．５邋ｋＨｚ）。望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直發(fā)射激光，并接收回波信號(hào)。當(dāng)液晶偏振相位片的相逡逑位延遲量為０時(shí)，發(fā)射激光是垂直偏振光（相對(duì)于ＰＢＳ入射面），經(jīng)過(guò)大氣散射后，回波信逡逑號(hào)中的非退偏部分依然是垂直偏振光

【參考文獻(xiàn)】

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1 郭紅;顧行發(fā);謝東海;余濤;孟慶巖;;大氣氣溶膠偏振遙感研究進(jìn)展[J];光譜學(xué)與光譜分析;2014年07期

2 王珍珠;劉博;王邦新;劉東;;PML偏振激光雷達(dá)定標(biāo)因子實(shí)驗(yàn)方法確定[J];大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào);2009年06期

3 張穎;趙慧潔;程宣;趙海博;;偏振測(cè)試技術(shù)及其在遙感中的應(yīng)用分析[J];電子測(cè)量技術(shù);2009年04期

4 劉東,戚福弟,金傳佳,岳古明,周軍;合肥上空卷云和沙塵氣溶膠退偏振比的激光雷達(dá)探測(cè)[J];大氣科學(xué);2003年06期

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