全光纖分光轉(zhuǎn)動拉曼測溫激光雷達系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達已成為大氣溫度探測的重要工具,而全球規(guī)模的大氣溫度高精度高時空分辨率的測量將極大提高天氣預(yù)報精度及自然災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報能力,發(fā)展空基平臺的大氣溫度高精度遙感探測技術(shù)是當(dāng)前各國關(guān)注的科學(xué)前沿與研究熱點之一。但是現(xiàn)有轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達分光系統(tǒng)存在調(diào)整復(fù)雜、穩(wěn)定性差、體積大等缺點,制約著其在空基平臺的應(yīng)用,而光纖Bragg光柵技術(shù)具有與光纖完全兼容,高光譜分辨率等優(yōu)點,適用于構(gòu)建小型及穩(wěn)定性高的光纖光柵分光系統(tǒng)。因此研究全光纖拉曼

2、分光技術(shù)對解決傳統(tǒng)拉曼測溫激光雷達空基平臺應(yīng)用技術(shù)瓶頸具有重要的科學(xué)研究意義和應(yīng)用價值。
　　論文針對空基平臺激光遙感探測大氣溫度的研究目標(biāo),提出光纖Bragg光柵技術(shù)的全光纖分光轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達系統(tǒng),重點研究單模光纖高效耦合技術(shù),光纖Bragg光柵轉(zhuǎn)動拉曼分光技術(shù),可見光波段光纖Bragg光柵研制技術(shù)和全光纖分光轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達系統(tǒng)搭建等關(guān)鍵技術(shù),為未來空基平臺的拉曼激光雷達大氣溫度高精度探測技術(shù)提供設(shè)計思想與技術(shù)支撐。

3、　　針對激光雷達回波信號與單模光纖的低耦合效率問題,依據(jù)模式匹配耦合理論,建立了空間光場的單模光纖耦合系統(tǒng)的分析模型,提出并設(shè)計了一種新型的自聚焦透鏡單模光纖耦合系統(tǒng),將接收耦合效率從22％提高至66%。研究了增加耦合能量的光纖陣列結(jié)構(gòu),實驗得到小芯徑光纖對類高斯光束的耦合效率比約為芯徑比平方的2.4倍,對全光纖分光激光雷達系統(tǒng)搭建具有重要指導(dǎo)意義。
　　針對轉(zhuǎn)動拉曼測溫激光雷達的分光技術(shù)需要對大氣彈性散射信號提供70~80 dB

4、抑制率的技術(shù)難點,依據(jù)指數(shù)型光致折變模型,提出了刻寫激光束干涉條紋可見度的改進耦合模理論模型,改善了光纖Bragg光柵性能的仿真精度。提出了高反射率和高抑制率兩種類型全光纖轉(zhuǎn)動拉曼分光設(shè)計方案和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),探討了分光方案優(yōu)化激光雷達系統(tǒng)靈敏度和信噪比的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,仿真分析了高抑制率型光纖Bragg光柵的加工原則,為全光纖轉(zhuǎn)動拉曼分光系統(tǒng)構(gòu)建提供了堅實的理論基礎(chǔ)。
　　利用改進耦合模理論分析模型,開展了可見光波段光纖Bragg研制技

5、術(shù)研究,研發(fā)了國內(nèi)首支530 nm波段光纖 Bragg光柵,搭建實驗系統(tǒng)測試了其性能參數(shù)。研究了光纖Bragg光柵精細光譜調(diào)諧技術(shù),以近似等強度懸臂梁為核心設(shè)計了光纖Bragg光柵調(diào)諧機構(gòu),實現(xiàn)光纖Bragg光柵中心波長與大氣分子轉(zhuǎn)動拉曼譜線的精細匹配,為全光纖轉(zhuǎn)動拉曼分光系統(tǒng)搭建提供了核心器件和關(guān)鍵技術(shù)。
　　構(gòu)建了全光纖分光轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達的數(shù)學(xué)模型,仿真優(yōu)化了轉(zhuǎn)動拉曼通道的分光參數(shù)。依據(jù)光子計數(shù)的微弱光信號檢測理論,研制了一

6、套光電探測系統(tǒng),實驗測試并優(yōu)化了工作高壓、甄別器閾值電平、等效死時間等參數(shù),構(gòu)建了首臺新型全光纖光柵分光的轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達實驗系統(tǒng),成功獲得了高度700 m以下的大氣溫度廓線,驗證了全光纖轉(zhuǎn)動拉曼分光方案的技術(shù)可行性。
　　理論研究及初步實驗結(jié)果表明,新型全光纖分光系統(tǒng)具有與光纖完全兼容性,并且調(diào)整簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點,構(gòu)建的全光纖分光轉(zhuǎn)動拉曼激光雷達系統(tǒng)可用于探測大氣溫度廓線,研究成果可為我國大氣溫度遙感技術(shù)提供了全新的解