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《中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)》 2017年
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全固态钠层风温探测激光雷达关键技术研究

夏媛  
【摘要】:中高层大气温度和风场的高分辨探测是当今大气探测和空间物理领域的研究热点之一。窄线宽钠多普勒激光雷达可实现中层顶大气温度和风场的同时探测,是大气科学研究、空间环境监测预报等的重要观测手段,为开展大气波动传播、能量和动量循环过程、高中低大气相互耦合作用等前沿科学问题的研究提供关键数据来源。本文主要开展了可实现中层顶温度和风场探测的全固态钠激光雷达系统关键技术的研究,大幅提升了窄线宽钠多普勒激光雷达系统工作的可靠性和稳定性,为钠激光雷达的进一步推广和应用提供了关键技术手段,为系统的自动化操作、远程或极端环境条件下的部署奠定了重要基础。论文对钠层风温探测原理、全固态激光雷达系统设计和研制、数据处理和风温反演方法及钠层风场和温度的初步探测结果等进行了详细介绍。主要研究内容如下:(1)成功研制出具有国际先进水平的全固态钠层风温探测激光雷达,基于固体激光和频技术,利用两个工作波长分别为1064nm和1319nm的连续光种子激光器输出单模窄线宽激光,分别注入到两个Nd:YAG激光器并进行脉冲和频,获得了能高效激发钠层的高功率589 nm脉冲激光发射源,提高了钠激光雷达发射激光系统工作的稳定性和可靠性;设计了全光纤耦合的种子注入激光单元,种子光稳频和移频等关键技术均采用光纤传输的模块化设计,大大减少了注入种子单元的光学调整;通过种子激光和频获得了窄线宽589 nm连续激光,并利用钠原子饱和吸收光谱和数字智能反馈程序控制1064 nm和1319nm种子激光器,实现了将和频生成的589 nm连续激光频率长期锁定到钠D2a共振跃迁线上;利用光纤耦合的声光移频技术,结合光纤开关的时序控制设计,实现了发射激光在三个工作频率上自动循环切换工作,并通过计算1064 nmNd:YAG激光腔的纵模间隔,对移频工作频率的选择进行了优化,有效提高了三频率种子注入的可靠性;系统采用三方向分光发射和同步接收采集,设计了发射光束二维调节远程控制软件平台,提高了三方向探测的视场匹配调节的精度和系统的自动化水平;开发了数据采集和系统控制软件,实现了多通道的回波信号同步采集、自动存储、实时显示和整机时序控制等。(2)开展了钠层风温数据处理和反演方法的研究,原始回波信号的预处理包括异常数据剔除、时间积分、背景扣除、功率归一化、高度平滑等,利用三频比率技术给出了温度和风速比值的计算方法,详细阐述了利用二分法由温度和风速比值结合理论的二维校准曲线反演获得温度和视线风速的基本过程,给出了视线风速校正和水平风速合成的方法,分析了温度和风场探测的误差来源,包括汉勒效应、光泵效应、饱和效应、激光频率偏差等带来的系统误差以及光子噪声导致的随机误差,并给出了风温探测精度的计算方法。(3)利用研制的全固态钠激光雷达系统开展了中层顶温度和风场的初步观测。以2016年9月19日和9月20日两晚温度观测结果为例,对相邻两天钠层夜间温度进行了比较分析,表明中高层顶温度结构具有较为明显的日变化特征。将激光雷达测量得到的温度与测量时间和地理位置相近的卫星温度数据进行了对比,结果显示两者随高度变化趋势基本一致,并观测到了明显的温度波动结构。将激光雷达测量的水平风速结果与地理位置相近的流星雷达风场数据进行了对比,两者探测结果随高度和时间变化趋势基本符合。与流星雷达相比,激光雷达的风速测量对小尺度的重力波扰动更为敏感,因此激光雷达的风廓线结果中表现出更多的波动结构,而流星雷达的观测结果随高度变化更平缓。两种仪器探测的水平风随时间演化结果中,均表现出相位向下传播的潮汐波动结构,潮汐波的水平波长尺度大于两种仪器探测的大气空间尺度,因此两种仪器均可探测到潮汐的波动变化。通过温度和水平风探测结果的对比分析,初步验证了该全固态钠激光雷达系统温度和风场探测的稳定性和可靠性。
【关键词】:激光雷达 钠层探测 大气风场 大气温度 全固态激光技术
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN958.98
【目录】:
  • 致谢4-6
  • 摘要6-8
  • Abstract8-17
  • 第一章 绪论17-33
  • 1.1 研究背景与意义17-18
  • 1.2 大气探测方法18-22
  • 1.2.1 大气温度和风场测量方法18-19
  • 1.2.2 大气探测激光雷达19-20
  • 1.2.3 金属原子共振荧光激光雷达20-22
  • 1.3 钠荧光激光雷达国内外研究现状22-29
  • 1.3.1 基于染料激光技术的钠激光雷达24-27
  • 1.3.2 基于固体激光技术的钠激光雷达27-29
  • 1.4 本文主要研究内容及创新点29-33
  • 第二章 钠多普勒激光雷达风场和温度探测原理33-43
  • 2.1 钠原子荧光光谱谱线结构33-36
  • 2.2 共振荧光激光雷达基本方程36-38
  • 2.3 三频比率技术38-42
  • 2.4 小结42-43
  • 第三章 全固态钠多普勒激光雷达系统设计和研制43-73
  • 3.1 全光纤耦合的种子激光单元44-60
  • 3.1.1 激光频率长期锁定设计46-54
  • 3.1.2 快速的三频切换设计54-60
  • 3.2 脉冲和频单元60-66
  • 3.2.1 单模589 nm脉冲激光的和频生成60-64
  • 3.2.2 脉冲激光线宽测量64-66
  • 3.3 接收和检测单元66-68
  • 3.4 数据采集和系统控制单元68-72
  • 3.5 小结72-73
  • 第四章 钠激光雷达回波信号处理及温度和风场反演73-83
  • 4.1 数据预处理73-74
  • 4.2 温度和视线风速数值反演算法74-76
  • 4.3 水平风速合成76-77
  • 4.4 误差分析77-81
  • 4.4.1 系统误差77-80
  • 4.4.2 随机误差80-81
  • 4.5 小结81-83
  • 第五章 钠层温度和风场观测结果与分析83-95
  • 5.1 钠层温度探测结果与对比分析84-87
  • 5.2 钠层风场探测结果与对比分析87-93
  • 5.3 本章小结93-95
  • 第六章 总结与展望95-99
  • 6.1 论文的主要工作95-96
  • 6.2 后续工作展望96-99
  • 参考文献99-109
  • 个人简历、在学期间发表的论文与研究成果109-110

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