纯转动喇曼激光雷达的带通滤波参数优化及新型系统设计研究

论文摘要

近年来,全球环境问题日益突出,对人类的生存质量和经济的可持续发展己造成重大影响,大气污染监测已成为各国都十分关注的问题。为了增强环境监测能力,迫切需要开发研制各种新型大气监测设备。 激光雷达技术作为一种高效可靠的遥感探测技术已被广泛应用于各种大气环境参数的测量与研究。在各种激光雷达当中,纯转动喇曼激光雷达利用大气中氮分子和氧分子的纯转动喇曼光谱(PRRS)的强度分布对环境温度的依赖性,通过计算PRRS中的两个不同谱带上总散射强度的比值来推算大气中的温度廓线分布,在大气温度探测领域具有重要的应用价值,已受到德美日俄等发达国家的重视。 带通滤波技术是纯转动喇曼激光雷达系统的关键单元技术,非优化的带通滤波参数将直接导致系统探测灵敏度的降低、温度探测精度的恶化等严重后果。本文引入模拟退火算法对普通纯转动喇曼激光雷达的中心滤波波长、滤波波长间隔、滤波带宽等带通滤波参数进行了优化计算,获得了温度探测灵敏度比现有报道结果高3—5倍的优化设计结果;并针对现有纯转动喇曼激光雷达系统的技术难点,提出了采用声光可调滤波器(AOTF)的带通滤波新方案,通过模拟计算获得了高温度探测灵敏度的优化声光带通滤波参数;最后给出了基于AOTF的新型单通道声光纯转动喇曼激光雷达系统设计方案。这些研究工作对促进纯转动喇曼激光雷达的技术发展及应用均有良好的推动作用。

论文目录

• 第一章 前言
• 1.1 激光雷达简介
• 1.2 常见大气探测激光雷达系统
• 1.2.1 米氏散射激光雷达
• 1.2.2 差分吸收激光雷达
• 1.2.3 多普勒激光雷达
• 1.2.4 纯转动喇曼激光雷达
• 1.3 本论文的主要内容
• 第二章 普通纯转动喇曼激光雷达的带通滤波参数优化
• 2.1 引言
• 2.2 纯转动喇曼激光雷达测温原理与模拟计算
• 2.2.1 纯转动喇曼散射光谱分布
• 2.2.2 纯转动喇曼激光雷达的带通测温原理
• 2.3 模拟退火算法介绍
• 2.4 带通滤波参数的优化计算
• 2.4.1 模拟退火算法的应用
• 2.4.2 滤波器的参数偏差对测温精度的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 新型声光纯转动喇曼激光雷达的参数优化及系统设计研究
• 3.1 引言
• 3.2 现有带通滤波方案介绍
• 3.2.1 双窄带干涉滤光片
• 3.2.2 双干涉滤光片加钠蒸汽滤波器
• 3.2.3 双光栅光谱仪
• 3.3 基于AOTF的新型声光带通滤波新方案
• 3.4 AOTF的工作原理及性能测试
• 3.4.1 AOTF的点扩展函数
• 3.4.2 AOTF中心波长和带宽的关系
• 3.5 AOTF带通滤波参数的优化计算
• 3.5.1 模拟退火算法的应用
• 3.5.2 AOTF参数的稳定性对测温精度的影响
• 3.6 新型单通道声光纯转动喇曼激光雷达的系统设计
• 3.6.1 激光发射器与接收器
• 3.6.2 带阻滤波器
• 3.6.3 带通滤波器
• 3.6.4 光电探测设备
• 3.7 本章小结
• 第四章 结束语
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 声明