大气布里渊散射光谱及探测技术研究

论文摘要

基于布里渊散射的激光探测技术是一门前沿性的研究课题，是未来光散射激光探测技术的发展方向之一。利用布里渊散射技术可以测量大气的多种特征参数，如温度、气压、气体密度分布、大气声速、折射率、空气扰动等；在大气环境监测，军事气象保障，空气动力学研究，航空航天等领域具有重要的潜在应用价值。鉴于常规条件下大气自发布里渊散射频移很小，通常和瑞利散射混在一起，按目前的探测技术无法把自发布里渊信号和瑞利信号准确的分离出来。而获得准确的布里渊频移量是利用布里渊散射来测量大气各种参数及应用的关键，为此，本文引入S6模型，从理论上仿真相应条件下的瑞利-布里渊散射谱型特征，通过把理论光谱和实测谱作比较来定性和定量分析布里渊频移特征，弥补探测系统分辨率和测量精度的不足。此外，本文模拟了不同海拔高度以及不同压强、温度条件下大气的布里渊背向散射谱型特征，分析了谱型变化规律，探讨了引起谱型变化的内在因素，为开展实验研究提供理论指导。模拟结果表明：基于布里渊散射的激光探测技术更适合低温层大气的探测，使用波长较长的单模激光，可以获得更高的布里渊频谱分辨率。本文在布里渊散射理论和模型模拟仿真的基础上，讨论了用窄带单模激光来探测大气自发布里渊散射谱的方法，提出结合Fabry-Perol高光谱分辨率的激光直接探测技术，设计了实验探测系统，并开展了背向180°和侧向90°散射的可行性验证实验，虽然实测结果和理论偏差较大，但通过探索研究表明该技术是可行的。本文最后讨论了实验中遇到的问题以及探测系统存在的缺陷，给出解决问题的方法和改进系统的具体方案。相比于目前国内外其它布里渊散射激光探测系统和方案，基于布里渊背向散射的单光束激光直接探测系统不但结构相对简单，体积较小，便于安装，具有发展成不同平台的布里渊散射激光雷达的潜力。结合其它电子技术，该系统可以进行远距离、实时的测量，实用性和潜在的应用价值很高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究发展趋势
• 1.4 本文的创新点和主要工作
• 第二章 布里渊散射理论
• 2.1 光散射的物理机制与分类
• 2.2 布里渊散射理论
• 2.2.1 自发布里渊散射
• 2.2.2 相干布里渊散射
• 2.2.3 受激布里渊散射
• 第三章 大气布里渊散射谱型特征
• 3.1 大气布里渊散射模型
• 3.1.1 WCU 线性方程
• 3.1.2 弹性碰撞算子函数
• 3.1.3 S6 碰撞模型
• 3.1.4 建立大气瑞利-布里渊散射模型
• 3.2 谱型仿真
• 3.2.1 大气布里渊背向散射谱型特征
• 第四章 实验探测系统设计
• 4.1 大气布里渊散射的探测方法
• 4.2 基于 Fabry-Perot 标准具的布里渊散射激光探测系统
• 4.2.1 激光发射系统
• 4.2.2 弱光信号接收系统
• 4.2.3 高光谱分辨率分光系统
• 4.2.4 光谱成像系统
• 4.2.5 数据采集与时序控制
• 4.3 本章小结
• 第五章 基础实验研究
• 5.1 大气布里渊散射探测实验
• 5.1.1 实验结果分析
• 5.1.2 发现存在的问题
• 5.1.3 改进措施
• 5.1.4 改进后的实验结果
• 5.2 侧向 90°散射实验
• 5.3 应用范围探讨
• 5.4 本章小结
• 第六章 论文总结及研究展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况
• 攻读研究生期间参与的课题
• 申请的专利和发表的论文
• 致谢