拉曼测温激光雷达全光纤分光系统集成方案设计及系统实现

摘要

大气温度是重要的大气气象参数之一，对于研究天气预报、大气科学、环境污染、气候变化等具有至关重要的作用，因此大气温度时空演化规律的研究就显得尤为重要。陆基转动拉曼散射激光雷达作为大气温度探测技术已广泛地应用在气象、环保、军事、科学研究等领域。针对其星载探测需求，本文以轻量化、小型化和低功耗的全光纤转动拉曼测温激光雷达分光系统集成方法为研究对象，基于本课题组前期理论研究基础，结合有限元分析方法，对全光纤拉曼分光系统中核心分光器件光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating， FBG）进行了温度响应研究，完成了全光纤拉曼分光系统集成方案设计与系统实现，并实现高低量子数通道FBG的无源温度补偿。论文的主要工作和研究结果有：
　　依托课题组前期研究的全光纤转动拉曼激光雷达分光系统，利用有限元分析方法完成FBG基底材料选择和波长调谐结构设计，搭建了全光纤分光系统的温度响应实验系统，在全光纤分光系统中，研究了高低量子数通道FBG中心波长偏移量与温度变化的关系；基于上述研究结果数值仿真分析了环境温度变化引起的高低量子数通道FBG中心波长的偏移对大气温度反演精度的影响。
　　结合设计的集光、机、电一体化的分光系统结构，釆用有限元分析方法，开展了全光纤分光系统结构的频率和冲击响应研究；设计出基于可编程回路调节器的温控系统，实验测得所搭建的温控系统的控温精度为±0.1℃；在验证实验中，该集成分光系统能准确提取出与转动拉曼高低量子数相匹配的对应波长。
　　最后针对星载激光雷达的轻量化与小型化，提出了基于异种表贴材料的FBG无源温度补偿方案，利用有限元分析方法与实验系统验证了该方案的可行性，并实现了高低量子数通道FBG的无源温度补偿。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.3 论文主要研究内容

2 基础理论

2.1 拉曼测温激光雷达的探测原理

2.2 FBG基础理论

2.3 FBG中心波长调谐原理

2.4 有限元分析方法

2.5 本章小结

3 全光纤拉曼分光系统核心分光器件FBG温度响应研究

3.1 全光纤拉曼测温激光雷达分光系统

3.2 FBG中心波长精细调谐方法与结构设计

3.3 FBG温度响应研究

3.4 本章小结

4 全光纤拉曼分光系统集成与实现

4.1 全光纤拉曼分光系统结构设计

4.2 集成分光结构的有限元分析

4.3 全光纤拉曼分光系统温控系统设计与实现

4.4 全光纤拉曼分光系统集成及系统测试

4.5 本章小结

5 全光纤拉曼分光系统无源温度补偿方法研究

5.1 无源温度补偿理论

5.2 无源温度补偿结构设计与仿真计算

5.3 无源温度补偿实验研究

5.5 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

在校期间参与发表的文章