3.53μm激光外差太阳光谱测量系统

激光外差技术具有高光谱分辨率特性,常用于地球大气探测研究,尤其是测量整层大气透过率及气体浓度反演。本论文设计了以窄线宽3.53μm分布反馈式带间级联激光器作为本振光源的激光外差系统,实现了整层大气中水汽和甲烷气体吸收光谱的测量,系统光谱分辨率达到0.002cm-1,信噪比为24.9dB,达到多普勒线型吸收谱线的测量要求。利用自行搭建的测量系统测量了3.53μm波段整层大气透过率,与辐射传输软件仿真分析结果进行对比,其绝对差值小于0.1,实测透过率与仿真透过率具有相同的变化趋势。该系统结合最小二乘法实现了实际大气中水汽和甲烷的同步反演,合肥地区春季水汽和甲烷的柱浓度均值分别为1.20g/cm2和1.31mg/cm2。通过对3.53μm激光外差太阳光谱测量系统的研究,掌握了调提高光谱分辨率和信噪比的方法,为获取大气分子更加准确的吸收谱线和气体浓度反演奠定了基础。     

厦门地区气溶胶折射率的测量

针对气溶胶折射率在分析大气气溶胶光学特性中的重要性，提出了一种综合利用黑碳仪、浊度计和光学粒子计数器反演大气气溶胶折射率的新方法。该方法根据黑碳仪和浊度计测量的气溶胶吸收系数和散射系数以及光学粒子计数器测量的粒子谱分布，采用球形粒子的米（Mie）散射理论，通过分析吸收系数、散射系数、粒子谱分布和折射率之间的关系来反演大气气溶胶粒子的折射率，并可以同时反演折射率实部和虚部。与其它独立的测量结果对比表明，该方法反演气溶胶折射率是合理的。最后，利用此方法分析了厦门地区的气溶胶折射率。     

光热干涉法测量大气气溶胶粒子吸收系数研究进展

光热干涉法可在保持大气气溶胶状态不变的前提下直接测量其吸收系数,具有灵敏度高、响应速度快和测量结果不受散射光影响等优点。详细阐述了光热干涉法测量气溶胶吸收系数的基本原理。通过对几种典型光热干涉仪的剖析,包括Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪、Jamin干涉仪和折返Jamin干涉仪,介绍了该方法不断完善的研究历程以及仍然待解决的问题。描述了在借鉴和创新基础上,正在开发的全光纤结构光热干涉试验装置。分析了光热干涉法的未来发展趋势。     

湍流强度对激光大气传输及其自适应光学校正的影响

利用激光大气传输及其相位校正四维程序,计算了不同的发射和传输条件对平台聚焦光束水平大气传输及其自适应光学校正的影响。结果表明:自适应光学系统开环时,在弱湍流效应条件下,以D／r_0为特征参量可以很好地表征湍流效应的强弱,SR值满足关系式SR=exp[-0．2(D／r_0)2],不考虑系统像差时,光束质量因子满足关系式β2=1 1．2(D／r_0)2;随着湍流强度或传输距离的增加,要考虑闪烁效应和相位不连续性对光束质量的影响,以D／r_0为特征参量就不足以表征湍流效应的强弱。另外,对于不同的发射和传输条件,自适应光学系统对激光大气传输的校正范围是不同的,且存在一阈值,条件不同其阈值是不同的。     

聚焦平台光束大气传输光束扩展的定标参数分析

建议采用63.2%环围能量半径及其内平均功率密度描述激光器大气传输光斑扩展特性.通过利用数值模拟及实验观测相结合的方法,对聚焦平台光束大气传输线性效应及湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了大量的数值模拟及部分实验研究,建立了描述聚焦平台光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系,从而为激光工程应用的可行性及系统参量的优化设计提供依据.     

激光大气传输数值模拟中对计算参量的选取

根据数值计算的抽样原则、传输介质的特性及传输效应等,对激光大气传输数值模拟中计算参量的选取进行了比较全面的分析,总结了选取计算参量时应遵循的基本要求.针对湍流效应、稳态热晕效应数值模拟中横向抽样网格间距和传输步长的选取分别进行了分析,并得到了这些计算参量与大气传输效应特征参量的关系,从而为激光大气传输的数值仿真提供依据.     

3.66μm激光外差光谱仪设计与水汽柱浓度反演

激光外差光谱测量技术具有光谱分辨率高、探测灵敏度高、成本低等特点,近年来在温室气体探测、激光大气传输等领域得到了广泛的应用。以3.66 μm 分布反馈式带间级联激光器作为本振光源搭建了一套高分辨率激光外差太阳光谱测量装置,实现了水汽吸收光谱的实时测量,并利用最优估算法对整层大气中的水汽柱浓度进行了反演,得到合肥地区2019年5月22日和23日的水汽柱浓度。反演结果与同步进行观测的傅里叶变换光谱仪EM27/SUN测量结果变化趋势一致,相关性优于0.8,偏差小于15%。研究结果表明,搭建的激光外差测量装置能够实现大气中水汽吸收光谱的实时测量以及水汽柱浓度的精确反演,同时为后续的水汽浓度廓线测量与研究奠定了基础。     

中红外波段高空大气传输透过率及热辐射计算

使用逐线积分（LBL）及四种版本高分辨率分子吸收数据库（HITRAN 96、2k、04及08版本）对比计算了中红外 2~5 m波段在中纬度夏季（45N,7月）模式高空大气下行传输的大气分子透过率及热辐射,结果表明:透过率随着下行传输路径减小而增大,热辐射随着传输路径的减小而降低,适当的减小传输路径可以降低高空大气对光电系统应用的影响。96、2k和04版本数据库在三种不同传输路径上透过率的平均绝对偏差均较小,但在某些波段绝对偏差较大,如 HITRAN2k在100~10 km传输路径上的绝对偏差最大达到了0.81;96、2k和04版本数据库在三种不同传输路径上热辐射的平均绝对偏差的数量级均为10-6,04版本的平均绝对偏差并非在所有路径中是最小的。计算不同传输路径的大气透过率和热辐射时,采用旧版本的数据库在某些波段可能会产生相当大的误差。     

海洋大气湍流对海军光电装备性能的影响

依据观测数据给出沿海地区低层大气湍流的季节及日变化特征,以误码率、角跟踪精度以及调制传递函数和分辨率等作为衡量包括光通信设备、光电探测设备以及光电跟踪系统在海洋大气湍流环境下的性能指标,在局地均匀、各向同性Kolmogolov湍流谱以及Rytov近似假设的条件下进行了分析.结果表明:以误码率指标衡量,光通信系统的有效作用距离大大缩短;在中等湍流强度下,光电成像探测设备的湍流受限MTF及分辨率与系统的衍射受限MTF及分辨率相比存在着显著的差异,海洋大气湍流对短波、中波红外成像设备的影响已经大于衍射受限的影响,而对于长波的影响并不显著;在中等湍流强度下,相位起伏引起的角跟踪误差将从几微弧度上升到二十几微弧度.