大气边界层白天温度测量用转动拉曼激光雷达

设计了一个转动拉曼激光雷达系统,对大气边界层温度进行全天候高精度测量。系统选用波长355 nm的紫外激光作光源,采用高光谱分辨力光栅,将雷达接收到的散射信号以及太阳背景光从空间上分离,配合边缘反射镜,反射转动拉曼信号,去除大部分米氏-瑞利散射和太阳背景光噪声信号,并用两个窄带干涉滤光片,分离中心波长为353.9 nm和353.1 nm转动拉曼散射信号,同时对噪声信号进行2次高精度剔除,以保证白天测量的需要。对系统进行了分析及数值计算,结果表明在激光脉冲能量300 mJ,望远镜有效口径25 cm,测量时间10 min的条件下,可以在白天太阳背景光辐射度为3×108W/(m2.sr.nm)的边界层内测量高度2.5 km以下的大气温度分布,并在大气散射比低于2.5的条件下,温度测量精度可达到1 K。     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

日盲紫外域拉曼激光雷达探测大气水汽技术研究

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号，可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱，在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中，多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量，设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出-266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长，采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器，同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统，实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5，283.6和294.6 nm的精细提取。计算仿真结果表明，臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响，主要是探测距离的影响；氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响；水汽通道存在少量太阳背景光噪声，对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明，设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时，可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线，修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收，进一步提升系统的探测能力和探测精度。     

绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.     

利用拉曼散射测量燃烧场的组分浓度及温度

介绍了利用拉曼散射测量燃烧流场温度及组分浓度的物理方法和实验测量结果。利用可调谐KrF准分子激光激发振动拉曼散射（VRS）测量了甲烷－空气燃烧火焰内不同空间的主要组分分子（CH4、N2、O2、H2O等）浓度及温度,测量误差小于10％;另外用N2的拉曼谱拟合测量了火焰的温度,测量精度高于5％。在实验中采用了偏振技术及波长调谐提高了信噪比和测量精度。     

拉曼激光雷达探测低对流层大气二氧化碳分布

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制成功的我国第一台测量低对流层大气CO2时空分布的拉曼激光雷达系统,选用波长355nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的拉曼后向散射信号。详细分析了拉曼激光雷达系统的定标方法,提出采用Li7500型H2O/CO2分析仪与拉曼激光雷达系统进行对比与标定,结果显示激光雷达与CO2分析仪数据变化趋势一致性较好,激光雷达具有很高的探测灵敏度与准确性,通过线性拟合水平方向标定误差小于0.2%,垂直方向小于1.4%。由标定关系反演出大气中CO2的时空分布,给出了合肥西郊低对流层大气CO2水平方向0～2.0km与垂直方向0～2.5km分布的典型测量结果。     

实用化拉曼光谱水下温度遥测系统研究

海水水下温度测量对研究海洋环境和气候监测及自然灾害的早期预报等十分重要。利用蓝绿激光在海水中良好的透射性，拉曼光谱技术可应用于大面积海水水下温度的快速遥感监测。但目前能够实现现场连续水温监测功能的实用化拉曼光谱水温遥测系统还尚未见报道。研制了实用化低成本的拉曼光谱水下温度遥测系统，开发了光谱实时采集和数据处理软件。数据处理中结合了面阵CCD的空间累加与时间积分及本底扣除算法，有效增强了拉曼光谱的信噪比和光谱系统的探测灵敏度。为了提高实际测温精度，以短波段拉曼谱的面积(S_HB)与长波段拉曼谱的面积(S_NHB)之比作为光谱信标与水温建立关系，研究了测温精度与光谱积分范围和拟合阶次的关系。实验测量了五百多组不同水温的拉曼光谱，分别选用比值S_HB/S_NHB和S_NHB/S_HB与水温进行线性拟合和二阶多项式拟合。研究结果显示，分界波长对面积比值变化范围影响很大，而拟合阶次对面积比与温度的拟合关系的准确度影响很大，两者最终都影响水温测量误差。为了更客观地反应不同面积比法、分界波长和拟合阶次对水温测量误差的影响，分析了温度测量误差与不同分界波长的关系。结果显示，温度测量误差受分界波长影响较小，受面积比法和拟合阶次影响较大；相同情况下2阶多项式拟合结果优于相应的线性拟合结果；而采用比值S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合时测温精度较高，且拟合参数易于调整。进一步研究了不同面积比方法和分界波长对系统抗干扰性能的影响。研究结果显示，比值S_HB/S_NHB法抗干扰能力随分界波长减小而减小，而比值S_NHB/S_HB法抗干扰能力随分界波长减小而增大。上述研究结果提高了温度反演算法参数设置的合理性和拉曼散射系统测温精度及系统抗干扰能力。综合考虑上述研究结果，数据处理中设定649.3 nm作为分界波长计算拉曼光谱面积比S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合。最后通过实验检验了拉曼光谱水下温度遥测系统的连续实时测温能力和测温精度。结果显示，拉曼光谱系统测温值与高精度同步温度传感器测量温度一致，最大测温误差为±0.5 ℃，测温误差的标准差约0.21 ℃。     

钨酸锌晶体的受激拉曼散射和光致发光研究

采用皮秒532nm 激光激发，研究了ZnWO₄晶体的受激拉曼散射和本征荧光发射.在SRS光谱中观察到一级(558.7nm)和二级(588.6nm)斯托克斯光，线宽分别为130和77cm^－1, 一级斯托克斯光的抽运阈值为6.8mJ.在532nm激光抽运下ZnWO₄晶体的荧光光谱呈现出由能量为2.30，2.45和2.83eV的3个高斯分量组成的独特结构.光致发光表明晶体具有从400nm到650nm的宽带本征发光，其峰值波长为472.0nm，相应于钨氧之间的辐射跃迁. 关键词： 晶体 钨酸锌 受激拉曼散射 闪烁体     

振动拉曼散射信号反演激光雷达几何因子分析

利用研制的探测大气二氧化碳廓线的振动拉曼激光雷达系统采集的氮气分子振动拉曼散射信号,结合激光雷达探测时的大气消光数据,反演求出激光雷达的几何因子曲线。并对气溶胶波长指数变化对振动拉曼信号反演几何因子造成的影响进行分析与估算。气溶胶消光波长指数变化对振动拉曼散射信号反演几何因子会带来较大的误差影响。当气溶胶消光波长指数或其谱分布确定时,振动拉曼散射信号反演几何因子具有简便、可靠等优点,在振动拉曼激光雷达系统几何因子确定中可以充分应用此方法。     

煤油燃烧场主要组分浓度测量

利用自发振动拉曼散射技术测量了煤油燃烧场主要组分的摩尔分数。基于355nm激光激发振动拉曼散射建立了自发拉曼散射实验系统,测量了空气中主要组分的摩尔分数,分析了该技术的测量精度;测量了煤油蒸气在355nm激光激励下产生的荧光光谱,分析了荧光信号对拉曼信号的干扰;对不同燃烧条件下的煤油燃烧场进行了诊断,获得了贫油条件下煤油燃烧场主要组分(N2,O2,H2O,CO2等)的拉曼光谱,计算了组分摩尔分数及其随燃烧时间的变化规律。     

基于三级Fabry-Perot标准具的纯转动拉曼测温激光雷达

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统，即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源，采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用，对532nm激发光的大气Mie-Rayleigh弹性回波散射抑制比可达10^-10,对量子数J=±6，J=±12的N₂纯转动拉曼散射光谱线接收带宽均小于10pm，因此能充分抑制大气背景辐射噪声及O₂纯转动拉曼谱线的干扰，从而实现了单谱线比反演温度，提高了探测精度，且可在白昼探测大气对流层温度.最后通过探空气球测得的对流层温度垂直分布逆向模拟了该系统双通道的Raman信号曲线，证实了该系统的可行性. 关键词： 拉曼激光雷达 纯转动拉曼散射 三级Fabry-Perot标准具 对流层     

绝对测温转动拉曼激光雷达分光系统设计及性能

为实现转动拉曼激光雷达的绝对测量温度技术,设计并测试了多通道转动拉曼分光系统.提出了一阶闪耀光栅与光纤Bragg光栅组成的两级并行多通道拉曼分光系统,优化了其核心级联器件(微米级光纤阵列)的参数及光路结构;仿真分析了一级分光系统的分光光路,转动拉曼谱线最大离心伸缩量约为0.0031 nm,离心伸缩比为0.69%;实验测试表明一级分光系统各转动拉曼通道的通道系数均在0.75以上,提取到拉曼光谱的实测中心波长与理论值的最大偏差约为0.0398 nm,偏离度为8.86%,可提供对弹性散射信号27 dB以上的有效抑制,结合已有光纤Bragg光栅二级分光实现高达62 dB弹性散射的抑制效果,可以实现对单条偶转动量子数转动拉曼谱线的精细光谱提取.     

基于Fizeau干涉仪的激光雷达测温方法研究

气温是描述大气状态的基本参数之一，温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器，已经用于气象要素的探测中（风、温度、气溶胶的光学厚度等）。目前，测温激光雷达主要有拉曼激光雷达（振动和转动）、共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等，拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器；共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度；基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量，反演温度时需要建立响应函数和校准程序；基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法，时间分辨率较低，并且该方法在测量过程中需要运动部件，所以不利于星载。在大气低层，分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响，两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布，直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度，会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响，所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量，提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量，并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制，从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小，最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外，还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性，利用Matlab软件建立了一套仿真模型，通过模拟表明，在不考虑云、风和水汽含量的影响时，利用该方法测量对流层内的大气温度时，测量误差小于1 K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件，有较高的使用价值，并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。     

基于取样光纤布拉格光栅的全光纤拉曼测温分光系统设计及优化

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测, 转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声, 以及对Mie-Rayleigh散射提供70 dB以上的带外抑制率. 本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光路, 构建高抑制率的全光纤拉曼测温分光系统, 以实现大气温度的全天时和高精度探测. 根据分光系统光路的传输特性, 采用传输矩阵模型, 优化设计了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比), 得到了优化的光谱分光系统参数. 利用该分光系统可实现太阳背景光强度和Mie-Rayleigh散射信号强度分别比转动拉曼散射信号强度弱40 dB和50 dB, 信噪比高于100时, 白天探测高度可达1.6 km. 该全光纤分光系统具有小型化、抗干扰和稳定性高的优点, 可为陆基及星载拉曼测温激光雷达提供一种全新的解决方案.     

燃烧场参数的激光诊断技术研究

 介绍了燃烧场参数的激光诊断技术的研究进展，给出了用自发拉曼散射、激光诱导荧光、相干反斯托克斯拉曼散射法诊断燃烧场温度和组分的实验系统和部分实验结果，单次测量火焰的温度和组分浓度相对误差小于10%；利用平面激光诱导荧光技术获得了稳定燃烧场二维OH荧光图像，并分析了激光作用区域火焰二维温度场的分布。     

Frequency shifting of sub-100 fs laser pulses by stimulated Raman scattering in a capillary filled with pressurized gas

The technique of Raman conversion of sub-100 fs laser pulses based on excitation of active medium by two orthogonally polarized pulses has been developed for Raman lasers with a glass capillary. 52 fs Stokes pulse at the wavelength of 1200 nm has been generated by stimulated Raman scattering of 48 fs Ti:sapphire laser pulse at the wavelength of 800 nm in hydrogen. 13% energy conversion efficiency has been achieved at pulse repetition rate up to 2 kHz.