基于马赫曾德干涉仪的火星风场探测激光雷达技术研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:coolfish150
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火星大气环境研究是火星探测任务的重要内容,近年来受到更多关注,基于马赫曾德干涉仪的多普勒测风激光雷达能够同时探测火星大气边界层风场与气溶胶分布,本文围绕其所涉及的科学问题和关键技术,研究总结了马赫曾德干涉仪对风场与气溶胶同时探测的理论,提出了马赫曾德干涉仪对大视场角光束入射时的视场展宽设计方法,研究了光电采集系统,最后搭建了一套基于马赫曾德干涉仪的1064 nm多普勒测风激光雷达实验系统,并进行了大气径向风速与气溶胶探测实验,对系统在火星地表工作时的探测性能进行了仿真分析。本论文主要包括以下几个方面内容:(1)研究了基于马赫曾德干涉仪的多普勒测风激光雷达的基本理论和风速反演算法,根据光学干涉理论给出马赫曾德干涉仪对大气风速、雷达后向散射比、气溶胶消光系数和空气分子消光系数反演方法,建立了风速探测误差随信噪比变化的理论模型,分析了在地球表面不同发射激光波长由于散射物质运动造成的光谱展宽对干涉对比度的影响,结果表明在地球表面使用1064 nm发射激光比使用532 nm或355 nm发射激光更好,回波信号干涉对比度整体更高,风速探测精度更高。(2)针对马赫曾德干涉仪的视场展宽需求,分析比较了棱镜式视场展宽方案与“猫眼”光学系统视场展宽的各自理论,给出用棱镜实现视场展宽时能够将光程差随入射视场角φ的变化压缩至φ~4量级的理论证明,针对“猫眼”光学系统难以解析表达其视场展宽能力的问题,建立了斜入射光线进入“猫眼”光学系统时经历的光程模型,用数值计算方法给出数值解,计算结果显示,“猫眼”光学系统的视场展宽性能不如棱镜的视场展宽性能高;提出使用压电晶体扫描干涉仪光程差获取其透射谱的方案,克服了温度扫描方案扫描速度慢和不可控的困难;设计并实现了一种基于棱镜视场展宽的马赫曾德干涉仪,在入射视场角为11 mrad时干涉对比度最高达0.93,实验结果证明视场展宽设计方案正确合理,干涉仪性能良好,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。(3)研究了火星大气气溶胶反演方法,根据“凤凰号”着陆器米散射激光雷达采集的回波数据反演了火星大气气溶胶消光系数廓线。针对原始数据中光子计数信号在近场存在的非线性效应,采用一种死区时间校正的方法拼接了无非线性效应的模拟探测信号与远场的光子计数信号,利用拼接的信号反演了火星大气气溶胶消光系数廓线并校正了重叠因子,获得了火星表面0-20 km高度范围内的气溶胶分布信息。根据火星表面的气溶胶消光系数廓线,仿真了所设计的测风激光雷达系统在火星表面工作时的回波光功率进而计算了回波信噪比,以信噪比为100距离处为有效风速探测距离,分析了累加平均次数、脉冲激光能量和系统光学效率对有效风速探测距离的影响。(4)研制了基于马赫曾德干涉仪的多普勒测风激光雷达系统,在地球表面对地球大气风速与气溶胶进行了实验观测。搭建了光学收发系统,使用自研的数据采集系统接收激光雷达回波信号。实验结果显示:在发射激光能量为169 mJ,累加平均次数为32次时可以接收到4 km距离的散射回波信号,有效径向风速探测距离1340 m,垂直分辨率为7.5 m,径向风速探测精度在信噪比为100时为2m/s,信噪比为1000时为0.2 m/s。分析了干涉仪自身干涉对比度对风速探测精度的影响,结果表明干涉仪干涉对比度在0.6-1范围内对风速探测精度影响较小,而小于0.5时则影响很大。分析了室温变化对系统工作的影响,发现使用马赫曾德干涉仪测风时探测误差对室温变化不敏感。
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