采用双光栅多色仪的纯转动拉曼测温激光雷达：光机系统设计、研制和测量结果分析

摘要

我们成功研发了一套纯转动拉曼测温激光雷达系统。我们为雷达的分光系统设计了一台双光栅多色仪，用于提取纯转动拉曼信号和抑制弹性波长杂散光。本文首次介绍了一种用于校准双光栅多色仪和检验其光谱提取能力(中心波长，接收带宽)的方法。我们的雷达系统拥有大功率孔径积，使我们能够在更大的高度范围(～5-30km)，精准的测量大气温度。高度分辨率为300m，1小时累积的温度剖面的1σ统计不确定性在～17km不超过0.5K，在～26.3km不超过2.0K。 本文从理论，实验和数据分析三个方面，对这台激光雷达系统做了详细的介绍。包括:纯转动拉曼测温原理和误差来源分析(第2章);雷达系统设计，校准和检验，系统常数稳定性(第3-5章);雷达的温度剖面，中-高对流层逆温和大气温度变化特点(第5-6章)。具体的工作概括如下: 1.从雷达方程出发，介绍纯转动拉曼测温的原理，并分析了雷达测温的误差来源。对于我们所采用的双光栅多色仪提取方式，逼近误差可以忽略不计。在后向散射比比较大的情况，泄漏误差明显。当两个纯转动拉曼通道在弹性波长的光学厚度大于6，且高J通道比低J通道的光学厚度稍大，可以很好的消减泄漏误差。统计误差是测温误差的主要来源，我们总结出降低统计误差的原则:尽量选择宽带接收，并让两个通道的接收带宽差异尽量小。 2.介绍了纯转动拉曼激光雷达系统的研制工作，重点介绍了双光栅多色仪的光路设计。我们通过实验方法和理论计算分别确定了光纤耦合方式雷达的接收视场。我们以双光栅多色仪中的透镜光轴作为参考，将光纤束阵列端面中心轴和光栅法线分别与其调节重合和平行。在此基础上，依次校准两级多色仪。最后，检验了多色仪的光谱提取能力，发现中心波长与理论值偏差只有0.05-0.12nm，证明了校准方法是正确的。通过比较多次标定得到的系统常数，发现信号的不确定性对系统常数稳定性的影响比较小，外界条件的差异对其影响更大。 3.根据4.5-14.5km是否存在逆温层，将高质量温度数据分为两组。通过对两个夜晚温度剖面的详细分析，没有逆温层时，整晚所有1小时温度结构在对流层很相似。平均和最大逐小时温度变化不超过1K和～0.5-2.0K。平流层的温度变化随高度的升高而增大，平均和最大逐小时温度变化分别为～1-3K和～2-6K。天到天的变化，在中-低对流层和对流层顶附近的变化要强于逐小时变化。有逆温层时，逆温层内的温度变化显著，平均和最大逐小时温度变化为1-1.6K和接近～3.0K。将整晚的所有1小时温度剖面叠在一起，逆温层的高度会出现“结”，这种现象在逆温层内非常普遍。我们发现“结”与逆温层整晚随风剪切层垂直运动有关。在逆温层之外的其他高度，温度变化与没有逆温层时的情况类似。 逆温层和风剪切层的中心高度和厚度的分布形态非常相似。另外，逆温层和剪切层的中心高度，厚度，强度随时间-高度变化比较一致，我们推断4.5-14.5km的逆温层与冬春季节急流产生的强剪切有关。通过统计分析发现，有逆温层的夜晚温度变化幅度整体大于没有逆温层的夜晚，且多在4-12km和15-23km产生更大的温度变化。而这两个高度范围，纬向风的剪切很强。说明因强剪切产生的逆温层，在整晚随剪切层垂直运动的过程中，会带来比较明显的温度变化。

目录

声明

摘要

引言

第一章大气温度探测介绍

1．1地球大气的垂直分层

1．2 探测大气温度的方法

1．2．1 无线电探空仪

1．2．2 卫星测量

1．3 激光雷达测量大气温度

1．3．1 激光雷达的基本原理，雷达方程

1．3．2 激光雷达测量大气温度

第二章纯转动拉曼激光雷达测温原理和误差来源分析

2．1 纯转动拉曼测温激光雷达回顾

2．2 纯转动拉曼激光雷达测温原理和逼近误差

2．3统计误差

2．4泄漏误差

2．5 温度误差剖面模拟

2．6 本章小结

第三章纯转动拉曼测温激光雷达系统设计

3．1 纯转动拉曼激光雷达系统介绍

3．2 发射系统

3．3 接收系统

3．3．1 望远镜

3．3．2 分色系统和光纤藕合机构

3．4 分光系统

3．4．1 双光栅多色仪光路结构和工作原理

3．4．2 闪耀光栅

3．4．3 准直-汇聚透镜

3．4．4 光纤束阵列

3．4．5 双光栅多色仪结构

3．5 信号探测和采集系统

3．5．1 光电倍增管

3．5．2 信号采集系统

3．6 本章小结

第四章纯转动拉曼激光雷达分光系统的校准和检验

4．1 三轴对准

4．1．1 光栅法线与非球面透镜光轴平行

4．1．2 光纤束阵列端面中心轴与非球面透镜光轴重合

4．2双光栅多色仪的校准

4．2．1 第一级光栅多色仪的校准

4．2．2 第二级光栅多色仪的校准

4．3 双光栅多色仪光谱提取能力检验

4．4 本章小结

第五章系统常数标定的稳定性和雷达测温剖面

5．1 系统常数标定的稳定性

5．2雷达温度剖面

5．3 本章小结

第六章中-高对流层逆温和大气温度变化特点

6．1雷达温度分类

6．2 大气温度的局地变化个例分析

6．2．1没有逆温层的夜晚，大气温度局地变化特点

6．2．2有逆温层的夜晚，大气温度局地变化特点

6．3 逆温层与风剪切的关联

6．4 大气温度变化与风剪切平均绝对强度的统计分析

6．5 本章小结

第七章总结与展望

7．1 文章总结

7．2 展望

参考文献

博士期间主要成果

致谢