3.5μm中红外激光外差光谱技术研究及系统研制

摘要

随着中国经济的快速发展，排放到大气中的温室气体及污染物已经影响着全球气候变化和人们的身体健康。全球气候变化已经成为当今世界各国政府共同关注的政治、经济和外交问题。对于大气污染和气候变化事实和规律的科学认识，以及对环境污染和气候变化影响的评估，迫切需要高性能的监测仪器来提高对气候系统多圈层及其相互作用的长期连续观测能力。由于温室气体呈现区域化的特征，如果仅仅依靠地面点式观测，无法准确地掌握温室气体及污染物的时空演变规律。目前测量大气污染气体及温室气体垂直廓线的方法主要还是采用高光谱分辨率傅里叶变换光谱仪，然而由于其价格昂贵、系统复杂，难以广泛使用。近年来发展起来的激光外差吸收光谱技术与传统的傅里叶变换光谱仪相比，具有光谱分辨率和探测灵敏度高、体积小、操作方便等优点，引起广泛的关注。论文围绕地基大气温室气体中红外激光外差光谱技术开展研究，主要包括高精度太阳跟踪仪，中红外激光外差光谱仪和大气温室气体垂直廓线反演算法。
　　论文的主要研究工作及取得的成果如下:
　　(1)建立了一套基于3.5μm ICL中红外激光器的高分辨率红外激光外差吸收光谱实验系统，并分析了各组成单元的参数特性
　　(2)编写了一套基于正演模型和反演模型的大气温室气体垂直廓线反演算法软件。
　　(3)利用标准具准确标定激光外差光谱测量系统的波长，结合测量的红外激光外差光谱系统仪器函数，反演了3.5μm波段甲烷分子整层大气太阳吸收光谱的垂直廓线分布。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 温室气体垂直廓线测量技术研究进展

1．2．1 傅里叶变换光谱仪

1．2．2 紫外和可见光波段差分吸收光谱

1．2．3 空间外差光谱仪

1．2．4 激光外差光谱仪

1．3 小结

第二章 激光吸收光谱理论基础

2．1 激光的物理基础

2．1．1 自发辐射

2．1．2 受激吸收

2．1．3 受激辐射

2．1．4 爱因斯坦三系数相互关系

2．2 分子振动谱线

2．3 分子转动谱线

2．4 比尔—朗伯定律

2．5 分子吸收线型

2．5．1 Lorentz线型

2．5．2 Doppler线型

2．5．3 Voigt线型

2．5．4 亚洛伦兹线型

2．5．5 超洛伦兹线型

2．6 小结

第三章 激光外差探测技术基础理论

3．1 光电探测理论技术

3．1．1 光电探测器的主要特性与参数

3．1．2 光电探测器噪声

3．2 激光外差探测系统光源

3．2．1 黑体

3．2．2 太阳光

3．2．3 激光光源

3．3 激光外差探测原理

3．4 激光外差装置的信噪比分析

3．5 小结

第四章 中红外激光外差光谱探测技术研究

4．1 激光外差模块

4．2 光路布局及其优化

4．3 激光外差光谱仪重要器件及参数

4．3．1 本振光源

4．3．2 激光控制器

4．3．3 合束镜

4．3．4 外差探测器

4．3．5 外差信号检测电路

4．3．6 锁相放大器与斩波器

4．3．7 法布里—珀罗标准具

4．3．8 太阳跟踪仪模块

4．4 基于ICL激光外差光谱技术测量太阳光谱及精确波长标定

4．5 激光器线宽与仪器函数的测量

4．6 结论

第五章 激光外差光谱仪反演算法

5．1 大气温室气体垂直廓线反演方法研究

5．1．1 正演模型

5．1．2 反演模型

5．2 大气温室气体廓线实时测量与反演

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文