基于視場展寬邁克爾遜干涉儀的高光譜分辨率激光雷達(dá).pdf

1、大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中的直徑為0.001～100微米的塵埃、煙霧等液體或固體顆粒。盡管氣溶膠在整個(gè)大氣環(huán)境中所占的比重很小，但是它們卻強(qiáng)烈地影響著大氣的輻射能量轉(zhuǎn)換及空間分布，從而影響地球氣候和環(huán)境。高光譜分辨率激光雷達(dá)（HSRL）技術(shù)因?yàn)榫哂休^高的信噪比以及數(shù)據(jù)反演時(shí)相對于米散射激光雷達(dá)需要更少的假設(shè)等優(yōu)勢，在大氣氣溶膠遠(yuǎn)程遙感應(yīng)用中受關(guān)注的程度與日俱增。盡管HSRL技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過30多年的發(fā)展，而將HSRL系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)業(yè)務(wù)化的

2、應(yīng)用并未普及。這很大程度上是由于很難建立廣泛適用于HSRL技術(shù)的光譜鑒頻器。目前HSRL中采用的光譜鑒頻器主要為碘分子吸收池和法布里-波羅(FP)標(biāo)準(zhǔn)具兩種形式。碘分子吸收池光譜鑒頻性能很好，但是只能用于532 nm波段的HSRL系統(tǒng)中;FP標(biāo)準(zhǔn)具雖然具有鑒頻頻率任意諧調(diào)的特點(diǎn)，但是其視場角很小，只能用于回波信號較強(qiáng)的短波波段（如355nm），且光譜鑒頻性能并不夠理想。研究新的HSRL鑒頻技術(shù)，對進(jìn)一步推動HSRL技術(shù)向通用化和高性能化

3、方面的發(fā)展具有重要意義。
　　本文建立了一種新型的能用作HSRL光譜鑒頻器的裝置，稱為視場展寬邁克爾遜干涉儀(FWMI)，并創(chuàng)新性地研制了基于FWMI的HSRL原理性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了該技術(shù)方案的可行性。FWMI光譜鑒頻器將有望成為獨(dú)立于現(xiàn)有碘分子吸收池和FP標(biāo)準(zhǔn)具的第三種可用于HSRL的光譜鑒頻器，而且具有很大的通用性和使用潛力。主要研究內(nèi)容包括:
　　建立HSRL技術(shù)的通用理論模型。由于大部分HSRL系統(tǒng)采用氣溶膠抑制能力

4、極強(qiáng)的碘分子鑒頻器，其數(shù)據(jù)反演比較方便。但自從FP標(biāo)準(zhǔn)具的使用開始，氣溶膠散射和大氣分子散射信號的串?dāng)_就成為需要考慮的問題。本部分圍繞一個(gè)重要的科學(xué)問題:“光譜鑒頻器對回波信號究竟至少應(yīng)該實(shí)現(xiàn)怎樣的光譜分離程度才能滿足HSRL的探測需求？”來展開具體的探究，通過通用性的HSRL模型建立和誤差傳遞分析，從光譜分離的獨(dú)特視角重新考察了HSRL技術(shù)對鑒頻器的要求，得到了很多沒有被廣泛意識到但是很重要的結(jié)論。這部分內(nèi)容對鑒頻器的研制以及HSRL

5、的構(gòu)建提供了根本性的指導(dǎo)準(zhǔn)則，且具有很大的通用性。
　　建立了FWMI技術(shù)的理論框架。首先從視場展寬的概念出發(fā)，論述將這一概念運(yùn)用于干涉光譜鑒頻器設(shè)計(jì)中去的必要性，從而建立了可用作HSRL鑒頻器的FWMI設(shè)計(jì)方法;其次建立了FWMI綜合性能評估模型，以此為基礎(chǔ)既能實(shí)現(xiàn)FWMI鑒頻器的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，又能用于對FWMI鑒頻器系統(tǒng)各組件的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行評價(jià)，從而對加工及調(diào)試過程進(jìn)行指導(dǎo);在通用HSRL理論模型和FWMI理論框架的指導(dǎo)下，定量

6、比較了FWMI和FP標(biāo)準(zhǔn)具在作為HSRL鑒頻器時(shí)的性能優(yōu)劣，指明了FWMI技術(shù)發(fā)展的巨大潛力。
　　提出了FWMI最優(yōu)化系統(tǒng)裝調(diào)和視場展寬特性評估的實(shí)驗(yàn)方法。該方法是將視場展寬的設(shè)計(jì)理念付諸FWMI具體裝置的重要技術(shù)保證，能夠?qū)WMI的視場性能優(yōu)化到理論極限。頻率鎖定技術(shù)是將FWMI諧振頻率諧調(diào)并鎖定到激光中心頻率的重要技術(shù)保障。提出了一種稱為最優(yōu)化多諧波外差鎖定的鎖頻技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，在FWMI光譜曲線并不夠尖銳的情況下，依舊能