散射差分吸收激光雷達關鍵技術研究.pdf

1、散射差分吸收激光雷達利用激光與大氣各成分的相互作用產生散射回波，對回波信號進行采集處理，獲得大氣能見度、氣溶膠消光系數(shù)以及某些氣體濃度分布等相關信息。差分探測技術利用氣體分子對激光的吸收特性，通過發(fā)射兩束波長相近但氣體吸收截面不同的激光束，差分測量其后向散射信號強度，對氣體濃度檢測具有極高的靈敏度和抗干擾能力，在空氣質量檢測、管道泄漏監(jiān)測、生化試劑探測、車輛及航空設備尾氣跟蹤探測等民用和國防領域具有重要的應用價值。
　　激光雷達光

2、源、散射信號探測及處理、差分吸收數(shù)據(jù)處理及誤差控制等關鍵技術的研究對于散射差分吸收激光雷達系統(tǒng)的研制具有重要的意義。本論文系統(tǒng)分析了散射差分吸收激光雷達的工作原理，對散射差分吸收激光雷達光源、散射信號探測及處理、差分吸收數(shù)據(jù)處理及誤差控制等關鍵技術開展了理論分析、數(shù)據(jù)模擬以及實驗研究，為散射差分吸收雷達系統(tǒng)的研制打下基礎。
　　論文分析了散射差分吸收激光雷達對光源系統(tǒng)的參數(shù)要求，結合已有的實驗條件，采用倍頻調Q Nd∶YAG激光器

3、泵浦可調諧鈦寶石激光器的技術路線獲得差分吸收測量激光束，對激光雷達光源激光器相關技術進行了研究。設計了調Q Nd∶YAG激光器的虛共焦高斯型變反射率非穩(wěn)腔，實現(xiàn)了高脈沖能量高光束質量脈寬70ns的1064nm激光輸出;針對長脈寬調Q Nd∶YAG激光器中出現(xiàn)自鎖模導致鈦寶石晶體損傷的問題，提出并實現(xiàn)了采用單個膜層反射率不太高的F-P標準具抑制自鎖模的技術方案，獲得了激光器脈沖能量的穩(wěn)定輸出，相較于已有的抑制自鎖模措施（雙標準具或標準具與

4、其他技術相結合），具有插入損耗小、耐強光能力好以及輸出能量高等優(yōu)點;設計了可調諧鈦寶石激光器700nm～950nm波段內倍頻以及三倍頻的技術方案，采用BBO晶體安裝在電動轉臺上，通過角度旋轉實現(xiàn)寬波段范圍內相位匹配。
　　開展了散射法探測大氣能見度及氣溶膠消光系數(shù)的理論和實驗研究。結合實驗測量的雷達回波信號，對常用于散射雷達方程求解的Collis斜率法、Klett法和Femald法等三種方法進行了對比分析;提出了一種將Collis

5、斜率法和Klett后向法相結合的穩(wěn)定的能見度反演迭代算法，適用于不同天氣條件下不同傾角路徑平均能見度的估算;采用Femald后向法對氣溶膠消光系數(shù)進行反演，編寫了批量數(shù)據(jù)處理和繪制氣溶膠消光特性二維分布圖的軟件，可直觀地反映出空間某一縱向剖面的氣溶膠消光系數(shù)分布情況。
　　研究了差分吸收法探測污染氣體濃度分布的數(shù)據(jù)處理算法，分析了影響測量靈敏度及測量精度的因素并提出了解決措施，重點研究了其他氣體吸收干擾給目標氣體探測帶來的誤差，并