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双波长高空探测激光雷达技术与钠层荧光通道的白天观测技术

作　者: 程学武
导　师: 龚顺生
学　校: 中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）
专　业: 原子与分子物理
关键词: 双波长激光雷达 白天观测 原子滤光 高空探测 瑞利散射 钠层荧光
分类号: P356
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


对30～110公里高空大气层段的探测研究，在空间物理和大气科学中有着重要地位，对许多高技术和国防应用也有重要意义。长期以来，由于缺乏有效的探测手段，使得对这一高空层段的研究非常落后。瑞利散射和钠层荧光高空探测激光雷达的出现，使这一局面大为改观。上世纪80年代以来，世界上不少发达国家相继建立了这两类高空探测激光雷达手段，并对其各自上空的该层段进行了许多探测研究。我们于1996年在国内率先研制成功了瑞利散射和钠共振荧光两种的高空探测激光雷达，为我国中高层大气的观测提供了大量数据，并获得到了许多重要观测结果。但由于这两种激光雷达的发射和接收的波长及其探测机制不同，因此两者不能同时工作，每次只能运行在一种激光雷达状态，即要么探测30～80km的中层大气，要么探测80～110km的高空钠层，造成了探测数据在空间和时间上的不连续。为了达到同时探测30km到110km宽范围的高空大气的目的，我们对原有的激光雷达系统进行了技术升级改造，使之成为一种具有同时探测中层大气和中层顶钠层能力的多功能激光雷达，并称之为双波长高空探测激光雷达。双波长高空探测激光雷达的研制成功，为中高层大气的宽范围连续性观测提供了有效手段，但是，由于高空探测激光雷达探测的是30公里以上高度段的大气散射回波信号，其信号微弱到必须使用光子计数的方法才能检测，而且信号微弱到在通常约1us的采样时间内，能收到1个回波光子的几率不超过10％。因此，白天的太阳光对高空探测激光雷达是一种严重的背景光干扰，这就使得绝大多数高空探测激光雷达只能在夜间工作，这种间断性观测对高层大气的连续变化特性，特别是潮汐波活动等，显然是不利的。为此，我们在上述双波长高空探测激光雷达的基础上，又通过采用钠原子滤光器技术，实现了钠层荧光激光雷达通道的白天和夜间的连续观测技术，并已初步获得了近50小时的连续钠层荧光观测。本论文工作即主要包括上述两部分内容：双波长高空探测激光雷达技术和钠层荧光激光雷达的白天观测技术。双波长高空探测激光雷达是我们提出的技术方案，已获国家发明专利(No：ZL 00 115964.X)。该技术方案通过采用两次倍频余光复用，双光纤焦面分光和高空收发联调等关键技术，将原来只能交替工作的瑞利散射和钠层荧光两种工作机制融入一台激光雷达中，从而实现了利用一台激光雷达对30～110公里高空的连通性探测。第一个主要内容是论述双波长高空探测激光雷达关键技术的实现和所达到的效果。钠层荧光激光雷达的白天观测是跟踪国际先进技术的工作。就我们所知，目前成功运行钠层荧光激光雷达白天工作的只有美国科罗拉多州立大学的激光雷达组，所用的关键技术是通过钠原子滤光器实现对白天太阳背景光的有效抑制。我们也通过采用类似的钠原子滤光器技术实现了本双波长激光雷达钠层荧光通道的白天观测。本论文的第二个主要内容即论述了钠原子滤光器的原理、研制和它在钠层荧光激光雷达接收系统中的成功应用，并给出了钠层荧光通道初步的白天观测结果。

全文目录


摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章 概述  9-17
  1.1 地球大气  9-12
  1.2 大气探测激光雷达  12-14
  1.3 高空探测激光雷达  14-15
  1.4 本论文的工作背景和主要内容  15-17
第二章 双波长高空探测激光雷达技术  17-43
  2.1 双波长高空探测激光雷达的工作原理和技术方案  18-22
  2.2 双波长高空探测激光雷达的关键技术  22-35
  2.3 双波长高空探测激光雷达的探测性能  35-38
  2.4 双波长高空探测激光雷达探测结果举例  38-40
  2.5 本双波长高空探测激光雷达与国外激光雷达探测性比较  40-42
  2.6 本章小结  42-43
第三章 钠层荧光通道的白天观测技术  43-72
  3.1 太阳辐射与天空背景光估算  43-45
  3.2 白天观测激光雷达技术方案  45-49
  3.3 钠原子滤光器的理论和研制  49-57
  3.4 采用钠原子滤光器的激光雷达接收系统研制  57-61
  3.5 脉冲染料激光器压窄线宽及原子稳频技术  61-65
  3.6 白天观测激光雷达初步探测结果  65-70
  3.7 本章小结  70-72
第四章 总结与展望  72-75
  4.1 本文工作总结  72-73
  4.2 展望  73-75
附录:硕士期间完成的论文  75-76
参考文献  76-78
致谢  78

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 地球物理学 > 空间物理 > 高层大气探测
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