亚稳态氦共振荧光激光雷达系统方案比较分析

对脉冲光和连续光两种激光雷达系统进行了改进,在原有激光雷达系统的基础上进一步细化设计参数,并结合系统本身限制选择更合适的设备。对两种激光雷达系统回波信号进行模拟计算,并就信噪比和实现难度等方面进行了对比,结果表明,脉冲光激光雷达更合适探测热层和外逸层亚稳态氦密度。

亚稳态氦激光雷达的研制进展

亚稳态氦激光雷达通过发射调谐至亚稳态氦原子的1083.0 nm共振线的激光来探测热层和外逸层的亚稳态氦原子数密度。能够覆盖的探测范围约为200~1000 km。在这个高度范围内,亚稳态原子密度较小,随着季节的变化,数密度最大通常不超过1 cm-3。中国科学技术大学目前正在研制基于六个1 m口径望远镜阵列和高能量1083 nm脉冲激光器的亚稳态氦共振荧光激光雷达。雷达的望远镜有效面积约4.8 m2;1083 nm脉冲激光器采用光参量震荡(OPO)和光参量放大(OPA)技术,以532 nm高能量脉冲作为泵浦光,最终输出单模窄带宽(300 MHz)的1083 nm脉冲光;接收端采用深度制冷(-120℃)的InGaAs探测器,量子效率大于30%,暗计数可控制在100 s-1以内;滤波模块采用干涉滤光片和FPI超窄带滤波串联的方式,最终将滤波半宽压缩到10 GHz左右,峰值透过率55%。综合以上关键技术指标,在数密度较大的季节,信噪比可能达到约400,在数密度较小的季节,信噪比约为10。

亚稳态氦原子束在激光驻波场中聚焦的衍射像差研究

用量子力学方法研究了一维激光驻波场对亚稳态氦原子束聚焦的衍射像差。建立了半经典模型 ,该模型在一定条件下和已有模型一致 ,提出了直接计算时间演化算符的数值方法 ,这种计算方法速度较快 ,收敛性较好 ,数值模拟结果表明在一定的激光强度和光束半径等参量下 ,亚稳态氦原子束被聚焦 ,焦点的半峰全宽为 54nm ,对比度 1 6∶1 ,焦长、焦深与入射原子束的速度有关 ,从而与动能有关 ,焦点的有限宽度主要是来自衍射效应的影响。

氦辐射线吸收谱等效宽度的理论分析

为了实现激光雷达对热层氦浓度的探测,本文理论计算了高斯线型、洛伦兹线型及佛克脱线型下亚稳态氦1083 nm辐射线吸收谱的等效宽度,结果表明佛克脱线型包含其他展宽机制信息,是最接近实际的光谱线型;亚稳态氦1083 nm辐射线的等效宽度的数量级为10-4;在热层温度范围内,等效宽度随温度的变化近似成线性关系;且随着波长的减小,等效宽度会增大。对于388.9 nm和318.8 nm两条辐射线也进行了计算,得出的结论与上述结论相似。此计算对于实现激光雷达对热层氦浓度的探测具有一定的参考意义。

热层氦辐射线大气吸收系数的理论分析

为了实现激光雷达对热层氦浓度的探测,采用理论分析和计算机模拟的方法,计算了组成亚稳态氦1083nm的3条共振辐射线的大气吸收系数,得到了大气吸收系数的数量级为10^(-3)。结果表明,对于同一光谱线,大气吸收系数与原子浓度成正比,与温度的1/4次方成正比,而与压强成反比;对不同光谱线,大气吸收系数与中心波长成正比;在谱线半宽度内,平均大气吸收系数和谱线中心大气吸收系数成正比。最后指出了大气吸收系数在光谱分析中的应用。此分析讨论对于激光雷达对热层氦浓度的探测具有一定的参考意义。

亚稳态He（2^3S）原子与N2H4分子传能产物的发光研究

本文在流动余辉装置上,研究了亚稳态He(23S)原子与N2H4分子碰撞传能,观察到了激发态产物NH(A3II→X3∑+)、NH(c1II→a1△)、NH2(A2A1→X2B1)的发射光谱,由相对光谱强度求得了形成各产物的通道比;分析NH(A3II,v＇=0)的转动分辨谱的结果表明,v＇=0能级上的转动布居是'双模”分布,激发态产物NH(A)、NH2(A)的形成机理可能是: He(23S)+N2H4→N2H4*→NH(A)+NH2(A)+H.

收发分置氦激光雷达系统参数设计与性能分析

针对收发分置氦激光雷达系统,基于连续激光束成像技术,获得了不同收发分置距离下对应的距离分辨率大小,以及单列CCD像素元与高度的对应关系和距离分辨率随高度的变化曲线.对比分析了在不同亚稳态氦原子密度的条件下,系统单列像素元接收到的光子数与探测高度的对应关系,并获得了信噪比和相对误差随探测高度的变化情况.仿真结果表明,增加积分时间可以提高信噪比,在400~1 000 km的高度范围内,积分时间为2 h,距离分辨率为50 km时,信噪比在10~65范围内,相对误差小于10%.研究结果表明采用收发分置氦共振荧光激光雷达系统可实现对热层200~1 000 km亚稳态氦密度的探测,为进一步完善优化收发分置氦共振荧光激光雷达系统的方案提供参考.

热层氦激光雷达系统参数设计和性能分析

为满足氦(He)激光雷达系统的探测指标,实现200~1000km大气中He原子密度的测量,对He密度探测激光雷达系统的参数和性能进行设计(主要包括激光发射部分、光学接收部分、数据采集和控制部分),对比在不同亚稳态He密度、不同积分时间、不同距离分辨条件下系统接收光子数与距离的关系,其中亚稳态He的密度对信号强度的影响最大。用较低高度的瑞利散射信号标定共振荧光信号,获得相对数密度曲线和信噪比(SNR)曲线。仿真结果显示,在积分时间为30min,距离分辨为50km,亚稳态He原子[He(2~3S)]密度最低的情况下,在250~530km高度范围内,相对误差小于2%,SNR大于40。结果证明系统设计的参数可以满足高层大气He原子密度的探测要求,对将来系统的实现有一定参考价值。