气体瑞利-布里渊散射激光雷达系统的研究

摘要

随着激光技术与散射谱分析技术地不断发展和进步，基于光散射技术的激光雷达被广泛应用于军事，航天，海洋探测，地质探测，气象探测等领域，并获得了重大的突破和进展。本文主要介绍的是由瑞利散射和布里渊散射叠加的气体自发瑞利-布里渊散射（SRBS）频谱分析技术，利用该技术设计的激光雷达装置可激发气体介质产生的SRBS信号从而反演获得目标气体的温度，压强等相关参数。 文中通过对气体SRBS频谱分析和仿真，针对N2在不同条件下的SRBS特性设计一套由532nm激光器泵浦的SRBS信号发生和接收系统。该系统可激发不同温度及压强下侧向90°的散射信号，随后由法布里珀罗干涉仪，光子探测器，延时脉冲发生器以及数据采集卡构成的探测系统负责采集。利用电脑和延时脉冲发生器的控制可实现法布里珀罗干涉仪扫频周期与数据采集卡扫描周期相匹配。采集到的光谱使用Matlab编写程序进行拟合和数值运算。 本文中针对散射信号较弱，信噪比差的问题，使用反射率为94%的共焦双凹腔法布里珀罗干涉仪，降低因干涉仪引起的损耗，提高采集信号的强度。掺杂气溶胶引起的米散射峰和散射池内壁漫反射等问题，则通过对S6模型的处理实现实验频谱与模型的最佳匹配。最后我们使用卷积与反卷积方法分别拟合实验结果，并使用Levenberg-Marquardt算法进行最优化数值求解。通过两种拟合方法的结果对比与分析得出：高压下数据经卷积计算可获得较高的反演精度，低压下数据因信噪比过低拟合较为困难，主要误差来源为系统噪声；使用反卷积的方法则可以降低因法布里珀罗干涉仪系统函数不稳定导致的线型偏差和变形，还原信号谱的方法也有利于对散射谱的分辨，但由于矩阵病态化无法保证获得稳定的计算结果。两种方法的拟合精度均可经过算法优化后得到改善，实验结果证明基于 SRBS技术的激光雷达系统在实际应用中具有广阔前景和意义。

目录

第1章 绪 论

1.1 选题依据及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文结构及创新点

第2章 基于瑞利-布里渊散射激光雷达的原理及应用

2.1 布里渊散射原理

2.2 基于瑞利-布里渊散射激光雷达的应用

第3章 SRBS频谱模型及拟合算法的实现

3.1 气体SRBS谱线模型

3.2 SRBS信号拟合方法和数值计算

第4章 基于SRBS激光雷达系统设计

4.1 系统总体设计

4.2 实验装置

第5章 实验数据反演和分析

5.1优化方案前后实验结果对比

5.2 利用卷积法对数据进行处理结果

5.3 利用反卷积法对数据进行处理结果

5.3 结果分析

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 工作展望

参考文献

读研期间参与课题和发表论文情况

致谢

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