基于视场展宽迈克尔逊干涉仪的高光谱分辨率激光雷达

摘要

大气气溶胶是指悬浮在大气中的直径为0.001～100微米的尘埃、烟雾等液体或固体颗粒。尽管气溶胶在整个大气环境中所占的比重很小，但是它们却强烈地影响着大气的辐射能量转换及空间分布，从而影响地球气候和环境。高光谱分辨率激光雷达（HSRL）技术因为具有较高的信噪比以及数据反演时相对于米散射激光雷达需要更少的假设等优势，在大气气溶胶远程遥感应用中受关注的程度与日俱增。尽管HSRL技术已经经过30多年的发展，而将HSRL系统在全球范围内业务化的应用并未普及。这很大程度上是由于很难建立广泛适用于HSRL技术的光谱鉴频器。目前HSRL中采用的光谱鉴频器主要为碘分子吸收池和法布里-波罗(FP)标准具两种形式。碘分子吸收池光谱鉴频性能很好，但是只能用于532 nm波段的HSRL系统中;FP标准具虽然具有鉴频频率任意谐调的特点，但是其视场角很小，只能用于回波信号较强的短波波段（如355nm），且光谱鉴频性能并不够理想。研究新的HSRL鉴频技术，对进一步推动HSRL技术向通用化和高性能化方面的发展具有重要意义。
　　本文建立了一种新型的能用作HSRL光谱鉴频器的装置，称为视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)，并创新性地研制了基于FWMI的HSRL原理性实验系统，验证了该技术方案的可行性。FWMI光谱鉴频器将有望成为独立于现有碘分子吸收池和FP标准具的第三种可用于HSRL的光谱鉴频器，而且具有很大的通用性和使用潜力。主要研究内容包括:
　　建立HSRL技术的通用理论模型。由于大部分HSRL系统采用气溶胶抑制能力极强的碘分子鉴频器，其数据反演比较方便。但自从FP标准具的使用开始，气溶胶散射和大气分子散射信号的串扰就成为需要考虑的问题。本部分围绕一个重要的科学问题:“光谱鉴频器对回波信号究竟至少应该实现怎样的光谱分离程度才能满足HSRL的探测需求？”来展开具体的探究，通过通用性的HSRL模型建立和误差传递分析，从光谱分离的独特视角重新考察了HSRL技术对鉴频器的要求，得到了很多没有被广泛意识到但是很重要的结论。这部分内容对鉴频器的研制以及HSRL的构建提供了根本性的指导准则，且具有很大的通用性。
　　建立了FWMI技术的理论框架。首先从视场展宽的概念出发，论述将这一概念运用于干涉光谱鉴频器设计中去的必要性，从而建立了可用作HSRL鉴频器的FWMI设计方法;其次建立了FWMI综合性能评估模型，以此为基础既能实现FWMI鉴频器的最优化设计，又能用于对FWMI鉴频器系统各组件的实际参数进行评价，从而对加工及调试过程进行指导;在通用HSRL理论模型和FWMI理论框架的指导下，定量比较了FWMI和FP标准具在作为HSRL鉴频器时的性能优劣，指明了FWMI技术发展的巨大潜力。
　　提出了FWMI最优化系统装调和视场展宽特性评估的实验方法。该方法是将视场展宽的设计理念付诸FWMI具体装置的重要技术保证，能够将FWMI的视场性能优化到理论极限。频率锁定技术是将FWMI谐振频率谐调并锁定到激光中心频率的重要技术保障。提出了一种称为最优化多谐波外差锁定的锁频技术。实验表明，在FWMI光谱曲线并不够尖锐的情况下，依旧能将其高精度锁定到预定的频率点。
　　建立了基于FWMI的HSRL原理性实验系统。介绍了所构建的HSRL系统光路结构、系统主要参数、工作方式及数据反演方法;详细给出了提出的系统定标方法和结果;最后采用该HSRL系统，给出了对大气实际探测的结果，验证了FWMI技术和基于FWMI构建HSRL的可行性。

目录

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致谢

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 激光雷达遥感大气气溶胶光学特性的基本原理

1．2．1 米散射激光雷达

1．2．2 拉曼激光雷达

1．2．3 高光谱分辨率激光雷达

1．3 国内外高光谱分辨率激光雷达技术研究进展

1．3．1 基于FP标准具的HSRL系统

1．3．2 基于碘分子吸收池的HSRL系统

1．3．3 多波长HSRL系统

1．4 本论文的主要研究内容和完成的工作

1．5 本论文的主要创新

2 通用化高光谱分辨率激光雷达系统模型

2．1 HSRL通用系统结构与参数反演方法

2．2 HSRL技术中的误差传递

2．3 光谱鉴频器在HSRL反演中的作用

2．3．1 光谱分离比与信号透过率

2．3．2 蒙特卡洛仿真

2．4 HSRL模型在光谱鉴频器设计中的应用

2．4．1 FPI干涉光谱鉴频器设计举例

2．4．2 碘分子鉴频器设计举例

2．5 本章小结

3 视场展宽迈克尔逊干涉仪：理论框架

3．1 FWMI的设计原理

3．2 FWMI鉴频性能评估模型

3．2．1 光谱鉴频特性评估方法

3．2．2 实际加工缺陷和使用条件对FWMI光谱鉴频特性的影响建模

3．3 FWMI理论框架的应用

3．3．1 用于指导FWMI的设计与制造

3．3．2 用于指导FWMI的使用

3．3．3 作为FWMI综合性能评估的工具

3．4 FWMI和FPI作为HSRL光谱鉴频器性能的比较

3．4．1 FPI在HSRL中光谱透过率评估

3．4．2 FWMI与FPI光谱鉴频性能比较

3．5 本章小结

4 视场展宽迈克尔逊干涉仪：原型研制

4．1 FWMI原型实际结构与参数确定

4．2 FWMI最优化装调与性能评估

4．2．2 FWMI视场展宽最优化调整

4．2．3 FWMI视场和波前特性测试

4．3 FWMI频率锁定技术

4．3．1 最优化多谐波外差锁定方法原理

4．3．2 频率锁定实验结果

4．4 本章小结

5 基于视场展宽迈克尔逊干涉仪的高光谱分辨率激光雷达

5．1 HSRL系统构建

5．2 HSRL数据反演概览

5．3 HSRL系统定标

5．3．1 增益比

5．3．2 FWMI光谱响应

5．4 HSRL大气观测实验

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文完成的工作总结

6．2 本论文的主要创新点

6．3 下一步的工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间的主要研究成果