摘 要

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究背景 1

1.2 国内外的研究现状 2

1.3 研究发展趋势 3

第二章 RBS线宽反演大气温度的基本原理 5

2.1 RBS线宽反演大气温度的基本原理 6

第三章 激光测温雷达系统设计 11

3.1 激光测温雷达系统的光路设计 11

3.2 激光测温雷达发射系统 11

3.2.1 参考激光反射端工作原理 12

3.2.2倍频系统 12

3.2.3扩束系统 13

3.3 接收系统 13

3.3.1 法布里-珀罗（F-P）标准具 14

第四章 大气温度反演实验仿真分析 20

第五章 总结与展望 23

5.1 本文研究工作总结 23

5.2 对未来工作的展望 23

致 谢 25

参考文献 26

摘 要

为了解决大气中气溶胶造成的米散射对分子散射回波能量干扰的问题，提出了一种基于瑞利布里渊散射频谱线宽反演大气温度廓线的方法。分析了大气瑞利布里渊线宽与温度和压强之间的联系，建立了通过瑞利布里渊线宽反演大气温度的模型并讨论了该方法的测量精度。通过实验数据分析可知该方法反演的温度与参考温度符合的很好，最大误差为4.5K，能够满足实际遥感测量的需求。基于该方法进一步提出了多参数同步遥感的大气激光雷达系统。通过频谱信号检测的方法获得大气散射回波频谱，依据各频谱参数实现对大气风速和温度等多参数同步测量。该方法具有信噪比高、精度高并且计算简单、直观，对快速大气多参数遥感监测具有重要的应用意义。

关键词：激光雷达,大气温度,瑞利布里渊散射,线宽,多参数测量

Abstract

In order to solve the problem caused by the atmospheric aerosol Mie scattering of molecular scattering echo energy interference problems proposed a method based on Rayleigh Brillouin scattering spectrum linewidth inversion of atmospheric temperature profile. The relationship between the atmospheric Rayleigh Brillouin linewidth and the temperature and pressure is analyzed, and the model of the atmospheric temperature is established by using the Rayleigh Brillouin line width. Through the experimental data analysis, we can see that the temperature and reference temperature of this method is in good accordance with the reference temperature, and the maximum error is 4.5K, which can meet the requirements of actual remote sensing measurement. Based on this method, the multi parameter synchronous remote sensing atmospheric laser radar system is proposed. Through the method of spectrum signal detection, the atmospheric scattering echo spectrum is obtained, and the multi parameter synchronous measurement of the atmospheric wind speed and temperature is realized according to the spectral parameters. The method has the advantages of high signal-to-noise ratio, high accuracy and simple calculation, which has important significance for the application of the multi parameter remote sensing monitoring.

Key Words：laser radar, atmospheric temperature, Rayleigh Brillouin scattering, line width, multi parameter measurement

第一章 绪论

没有大气就没有人类的存在，大气层环境的变化直接影响着人类赖以生存的地球的生态环境的变化。人们可以通过不断监测大气环境的变化和利用大气的各种资源来为自己的生存和发展服务。因此，人们始终保有对大气研究的无限热情，各种科学研究方法层出不穷，而在其中遥感技术一直是最为有效的研究手段。

大气温度作为大气的基本参量，在大气各层之间的能量和动量传输中起着巨大作用，大气温度的变化将会直接影响到天气预报、航天航空、军事战略等重要问题。

1.1 课题的研究背景

大气垂直高度的温度监测一直是气象、环保和空间工程领域的重要研究工作，也是激光雷达应用的重要领域。激光雷达所依据的散射方式有四种：米氏散射（Mie Scattering）、瑞利散射（Rayleigh Scattering）、拉曼散射（Raman Scattering）和布里渊散射（Brillouin Scattering）。其中米氏散射和瑞利散射是弹性散射，在光波长和气体中的介质尺度相近的情况下，粒子间只发生动能的交换，而粒子的类型及其内部运动状态并不发生改变。基于这两种散射的激光雷达主要通过散射回波信号的能量来监测介质的特性变化，主要用在大气的监测中，如大气云层等气溶胶的监测，以及大气风速，大气温度垂直廓线的监测等。拉曼散射是一种光与介质相互作用发生的非弹性散射现象，于1928年由印度科学家C. V. Raman和K. S. Krishnan在液体实验中发现。该散射现象是由于入射光光子与介质原子或分子相互作用中产生了能量交换，光子损失或吸收一部分能量，导致散射光子与入射光光子相比发生了频率变化，产生频率偏移。拉曼散射的频率偏移与相互作用的介质原子或分子所处的振动能态和转动能态有关，而原子或分子的能态分布在统计上即表现为介质的宏观物理特性，如介质温度等，因此激光雷达以激光形式将大量光子入射到介质中与不同能态的原子或分子相互作用，散射后的光子会以谱线的形式映射出原子或分子的能态分布，通过收集散射光光子，形成散射光谱并进行分析测量，即可用于反演介质的物理特性。由于拉曼激光雷达是一种频域检测方式，相对于能量检测的方式来说，它能够从频率上区分开杂散噪声和有用信号，有较高抗噪能力，其在海水^[1]，大气^[2]和光纤^[3]等各种光学介质中均已得到广泛研究。然而，大气介质中拉曼散其散射强度比较低^[4]，加之射频谱宽度非常宽泛，会与日光和某些荧光的频率区域有重叠，这就造成散射回波信号容易受到日光和荧光的干扰，导致光谱的测量受到影响^[5]，使得采用拉曼进行大气监测的难度变大，一定程度上限制了其大气遥感的应用能力。

布里渊散射是由于介质的密度波动引起的光的非弹性散射现象。这种介质密度波动也会造成光子的频率上的变化，体现在频谱上则是相对于入射光子的频率偏移。对于大量同频率光子以同一方向(如激光)入射介质时，散射光不但会发生频移，并且还会因为与介质的原子或分子相互作用而产生展宽效应，最终其在频谱体现为相对于激光中心频率发生了偏移的布里渊散射峰。该散射峰相对中心频率的偏移量(后称“瑞利布里渊频移(RayleighbBrillouin shift)”)，以及瑞利峰的峰宽(通常用半高宽(Full Width at Half Maximum, FWHM)表示，后称“瑞利布里渊线宽(Rayleigh Brillouin linewidth)”)等，都能够与介质的物理特性，如温度，声速等有关系^[6-8]。因此，通过监测其频谱并测量频谱特性，就能够通过频谱特性来反演介质物理特性。与拉曼散射相比，导致布里渊散射的元激发是频率较低 、能量较小的声学声子，因而大气中布里渊散射的谱线宽度要小很多，能够有效地减少与日光和荧光的重叠区域，进而降低这些杂散光的影响；另一方面，布里渊散射回波信号能量是拉曼散射的百倍以上，进一步降低了日光和荧光的相对影响，因而拥有更好信噪比的散射回波谱线。与拉曼激光雷达相比，瑞利布里渊激光雷达拥有更好的遥感能力 (如探测深度)和更少的耗费 (如所需激光功率)，在实际遥感和测量方面前景非常广阔。