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。     

基于固体腔扫描法布里-珀罗干涉仪的大气温度绝对探测方法研究

大气温度是描述大气状态的重要基本特征参量之一.目前,基于Rayleigh散射的大气温度探测方法多应用于大气温度的相对探测,即温度反演时需要响应函数和校准程序.本文提出了利用固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪进行大气Rayleigh散射谱型的精细探测方法和残余米散射信号的抑制方法.根据Rayleigh散射谱特点,针对固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体介质类型、半高全宽、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计.利用优化参数的固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪获取Rayleigh散射谱上离散点信息,并采用多项式插值方法获得拟合谱型,与根据标准大气模型和S6模型获得的理论谱型进行比对,大气温度探测不确定度小于0.8 K.当信噪比为10时,白天与夜晚的探测距离分别为4.5和7.9 km.该方法可实现大气温度廓线的全天时和高精度绝对探测,并对同类高光谱激光雷达分光系统研究具有借鉴意义,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分光系统解决方案.     

紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达探测气溶胶的技术实现和系统仿真

多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测.     

基于气溶胶光学参数的拉曼激光雷达重叠因子校正方法

提出了一种稳定的拉曼激光雷达重叠因子计算和校正算法,适用于含有拉曼散射通道的激光雷达系统的重叠因子校正。此算法基于大气气溶胶光学参数的拉曼反演算法,通过分析消光系数和后向散射系数的反演特点,发现后向散射系数在过渡区中不受重叠因子的影响。用后向散射系数和激光雷达比的乘积对消光系数缺失信号进行初步校正,进而正演出初步校正后的拉曼散射回波信号,将实际拉曼散射回波信号与正演的拉曼散射回波信号相除即可得到重叠因子廓线。对回波信号和气溶胶光学参数进行了过渡区信号校正和盲区信号补充。分别用单组和连续的激光雷达实验观测数据进行了重叠因子的计算和校正,并与能见度仪观测的近地面数据进行了对比,呈现良好的一致性。结果表明,此算法对重叠因子计算较为稳定。     

Mie散射激光雷达回波信号小波去噪方法

针对强背景光下,Mie散射激光雷达回波信号所含噪声的特点,提出小波滤波消噪方法.该方法通过小波变换分离出背景光的直流部分,并利用小波软阈值消除来自背景光的白噪声和探测系统的电噪声.为了验证该方法的有效性,提取并反演了Mie散射激光雷达系统实际探测得到的大气回波信号.反演结果显示有效探测距离从2.5km提高到5km,表明该方法能够在白天背景下有效降低Mie散射激光雷达回波信号中的电噪声和背景光的噪声污染.     

基于脉冲数字全息干涉术的云滴谱离散度研究

为了研究云滴谱的离散度与云微物理参量之间的相关性,提出了基于现场可编程门阵列的短脉冲调制激光、高分辨率显微光学系统和同轴数字全息干涉术相融合的观测技术,该技术探测云滴粒子的最小尺寸为2μm,还可以获得完整的云滴谱谱宽数据。在膨胀云室中连续三天的不同气溶胶数浓度下,开展了生消过程中云滴粒子的三维位置与直径的观测,利用观测结果计算了云微物理参量。进一步分析了云滴谱的离散度与云微物理参量在生成与消散过程中的正相关关系。通过比对不同气溶胶数浓度条件下云滴谱离散度的分布情况,得到了随着云滴数浓度的增多,离散度的取值范围会逐渐减小,且离散度相对拟合线的离散性降低的结论。     

全天时喇曼激光雷达探测大气水汽的技术实现及分光系统设计

为实现大气水汽的全天时测量,选用Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0nm作为激励光源,设计日盲紫外域喇曼激光雷达系统.由于低层大气污染造成的臭氧污染,通过增加大气氧气的振动喇曼散射信号测量通道,实时反演近地表臭氧浓度的分布,为修正激光雷达方程中的臭氧吸收提供解决方案.同时,选用高光谱分辨率光栅和窄带宽激光反射镜设计光栅光谱仪作为激光雷达的分光系统.仿真计算表明,入射角为10°时,设计的光栅光谱仪可有效分离并提取氧气、氮气和水汽的振动喇曼散射回波信号,日盲紫外喇曼激光雷达系统可实现全天时状态下2km高度范围内大气水汽的廓线探测.     

米散射激光雷达重叠因子及全程回波信号标定技术研究

由于激光雷达光轴夹角的存在和光束质量分布的非均匀性, 导致理论回波信号与实际回波信号有较大差别, 需要对其进行校正. 基于数学推导和软件仿真, 给出了激光雷达重叠因子的数学表达式, 分析了光轴夹角导致的系统重叠因子在全程探测空间的变化情况; 分析了光束分布为高斯分布和均匀分布时的重叠因子变化情况; 对激光雷达的距离校正信号和Klett算法公式进行了重叠因子修正, 最后在对激光雷达系统参数标定的基础上, 在重叠区域利用修正的Klett公式对其所测得到的回波信号进行了修正, 在探测盲区利用斜率法修正距离校正信号, 进而得到了符合理论与实际情况的激光雷达在全程上校正的消光系数曲线. 关键词： 激光雷达 标定 重叠因子 消光系数     

层间电荷转移增强二硫化铼/石墨烯异质结薄膜的反饱和吸收特性

提高二维纳米材料的非线性光学响应,推动非线性光学在光电子领域的应用,是当前的一项巨大挑战,而构建高质量的范德瓦耳斯异质结,研究其非线性光学响应的内在机理,是解决途径之一.本文采用液相剥离结合真空抽滤技术,选择不同的混合方式(粉末混合、超声后混合、离心后混合),构建了三种二硫化铼/石墨烯异质结薄膜,并利用拉曼光谱仪、近红外吸收光谱仪以及原子力显微镜等对其进行了光学表征.采用自主搭建的高重复频率、窄脉宽飞秒Z扫描系统,重点研究了上述异质结薄膜在800 nm处的非线性光学特性,得到了其三阶非线性极化率虚部、品质因数等重要的非线性光学参数.结果 表明:异质结的成功构建使得材料的非线性光学响应显著增强,超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜的品质因数是纯二硫化铼薄膜的3.5倍,纯石墨烯的1.6倍;超声后混合的二硫化铼/石墨烯薄膜具有最高的反饱和吸收特性,其品质因数相较于粉末混合、离心后混合的异质结薄膜分别提高了44％和27％.本文为范德瓦耳斯异质结的制备提供了新思路,同时也为飞秒光限幅器件的研究打下了理论基础.