基于視場展寬邁克爾遜干涉儀的高光譜分辨率激光雷達.pdf

1、大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的直徑為0.001～100微米的塵埃、煙霧等液體或固體顆粒。盡管氣溶膠在整個大氣環(huán)境中所占的比重很小，但是它們卻強烈地影響著大氣的輻射能量轉(zhuǎn)換及空間分布，從而影響地球氣候和環(huán)境。高光譜分辨率激光雷達（HSRL）技術因為具有較高的信噪比以及數(shù)據(jù)反演時相對于米散射激光雷達需要更少的假設等優(yōu)勢，在大氣氣溶膠遠程遙感應用中受關注的程度與日俱增。盡管HSRL技術已經(jīng)經(jīng)過30多年的發(fā)展，而將HSRL系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)業(yè)務化的

2、應用并未普及。這很大程度上是由于很難建立廣泛適用于HSRL技術的光譜鑒頻器。目前HSRL中采用的光譜鑒頻器主要為碘分子吸收池和法布里-波羅(FP)標準具兩種形式。碘分子吸收池光譜鑒頻性能很好，但是只能用于532 nm波段的HSRL系統(tǒng)中;FP標準具雖然具有鑒頻頻率任意諧調(diào)的特點，但是其視場角很小，只能用于回波信號較強的短波波段（如355nm），且光譜鑒頻性能并不夠理想。研究新的HSRL鑒頻技術，對進一步推動HSRL技術向通用化和高性能化

3、方面的發(fā)展具有重要意義。
　　本文建立了一種新型的能用作HSRL光譜鑒頻器的裝置，稱為視場展寬邁克爾遜干涉儀(FWMI)，并創(chuàng)新性地研制了基于FWMI的HSRL原理性實驗系統(tǒng)，驗證了該技術方案的可行性。FWMI光譜鑒頻器將有望成為獨立于現(xiàn)有碘分子吸收池和FP標準具的第三種可用于HSRL的光譜鑒頻器，而且具有很大的通用性和使用潛力。主要研究內(nèi)容包括:
　　建立HSRL技術的通用理論模型。由于大部分HSRL系統(tǒng)采用氣溶膠抑制能力

4、極強的碘分子鑒頻器，其數(shù)據(jù)反演比較方便。但自從FP標準具的使用開始，氣溶膠散射和大氣分子散射信號的串擾就成為需要考慮的問題。本部分圍繞一個重要的科學問題:“光譜鑒頻器對回波信號究竟至少應該實現(xiàn)怎樣的光譜分離程度才能滿足HSRL的探測需求？”來展開具體的探究，通過通用性的HSRL模型建立和誤差傳遞分析，從光譜分離的獨特視角重新考察了HSRL技術對鑒頻器的要求，得到了很多沒有被廣泛意識到但是很重要的結(jié)論。這部分內(nèi)容對鑒頻器的研制以及HSRL

5、的構(gòu)建提供了根本性的指導準則，且具有很大的通用性。
　　建立了FWMI技術的理論框架。首先從視場展寬的概念出發(fā)，論述將這一概念運用于干涉光譜鑒頻器設計中去的必要性，從而建立了可用作HSRL鑒頻器的FWMI設計方法;其次建立了FWMI綜合性能評估模型，以此為基礎既能實現(xiàn)FWMI鑒頻器的最優(yōu)化設計，又能用于對FWMI鑒頻器系統(tǒng)各組件的實際參數(shù)進行評價，從而對加工及調(diào)試過程進行指導;在通用HSRL理論模型和FWMI理論框架的指導下，定量

6、比較了FWMI和FP標準具在作為HSRL鑒頻器時的性能優(yōu)劣，指明了FWMI技術發(fā)展的巨大潛力。
　　提出了FWMI最優(yōu)化系統(tǒng)裝調(diào)和視場展寬特性評估的實驗方法。該方法是將視場展寬的設計理念付諸FWMI具體裝置的重要技術保證，能夠?qū)WMI的視場性能優(yōu)化到理論極限。頻率鎖定技術是將FWMI諧振頻率諧調(diào)并鎖定到激光中心頻率的重要技術保障。提出了一種稱為最優(yōu)化多諧波外差鎖定的鎖頻技術。實驗表明，在FWMI光譜曲線并不夠尖銳的情況下，依舊能