近地面空气温度探测高光谱激光雷达系统设计与实现

摘要

在大气物理化学、天气动力学、气象及环境的研究过程中，空气温度是基本的参数之一。空气温度的变化会使得大气动力学过程和微量成分的分布发生变化。探测近地面空气温度可以为大气环境、大气动力学过程和天气分析及预报等研究提供重要的参考信息。探测空气温度，对研究太阳辐劓、城市热岛现象、提高气象预报准确度、特别对研究解释地球温暖化现象等具有重要的意义。近地面空气温度的分布具有很大程度的变化性，而且前的近地面温度测量手段多为接触式测量，无法避免其产生的原理性误差，因而人们很难准确的对空气温度进行探测。 本文根据高光谱激光雷达近地面空气温度的探测方法，设计了近地面空气温度探测激光雷达系统，包括激光发射系统、光学接收系统、分光系统和光电探测系统。完成r激光发射系统部分的准直扩束系统和分光系统光学设计及分光系统和整体的机械结构设计。依据近地面空气温度探测要求和整个系统结构特性，设计了相匹配封装结构。通过SolidWorks有限元分析方法，对机械结构的温度特性和频率特性进行分析。 利用设计的空气温度高光谱激光雷达系统，在实验室搭建了模拟探测系统，实现了散射池温度探测。根据脉冲激光频率及扫描式共聚焦F-P干涉仪参数设计了电压控制方法并完成了电压衰减电路调试。以可以渊节温度和压力的散射池为探测对象，分别完成不同温度与压力下的散射谱散点测量，并对测得信号进行数据处理和反演，得到温度信息。结果表明，通过实验测得的瑞利散射散点谱反演得到的温度与实测温度误差小于1.9K，验证了系统的可行性。分析表明近地面高光谱瑞利测温雷达可以实现对温度的探测，为近地面空气温度探测提供了一种可行的方案。

目录

声明

1绪论

1.2国内外发展现状

1.3论文的主要研究内容

2高光谱瑞利散射激光雷达测温原理

2.2布里渊散射

2.3共聚焦F-P干涉仪分光原理

2.4本章小结

3近地面空气温度探测高光谱激光雷达系统设计

3.2激光雷达发射系统

3.3激光雷达接收系统

3.3.2望远镜后耦合光纤的参数选择

3.4激光雷达分光系统

3.4.1扫描式共聚焦F-P干涉仪参数

3.4.2温度变化对扫描式共聚焦F-P干涉仪透过率谱线的影响

3.4.3扫描式共聚焦F-P干涉仪温控系统设计

3.5分光系统机械结构系统设计

3.6光电探测系统结构设计

3.7激光雷达系统机械结构性能分析

3.7.1激光雷达系统机械结构温度特性分析

3.7.2激光雷达系统机械结构频率特性分析

3.8本章小结

4近地面空气温度探测高光谱激光雷达系统搭建与定标实验

4.1泵统信噪比

4.2测温激光雷达系统实验方案确定

4.2.1共聚焦F-P干涉仪电压扫描方式的确定

4.2.2温度反演方法

4.3激光雷达系统实验数据及分析

4.3.3温度变化对瑞利散射散点谱谱宽的影响

4.4本章小结

5总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果