全光纤转动拉曼激光雷达的光纤光栅分光技术研究

设计了一款由可见光波段的光纤布喇格光栅和光纤耦合器构建的全光纤转动拉曼激光雷达分光系统。利用相位掩模板侧向成功刻写530 nm波段光纤布喇格光栅,并初步测试其透射谱和反射谱性能。为提高光纤光栅中心波长与大气氮气分子转动拉曼谱线的匹配特性,利用悬臂梁设计高调谐灵敏度的调谐系统。实验结果表明,成功研制的可见光波段光纤布喇格光栅反射率约为95%,带宽约为0.3 nm,应力调谐系统可实现±0.6 nm范围18 pm/r的波长调谐。

全光纤转动拉曼激光雷达光电探测系统设计

针对全光纤转动拉曼激光雷达系统的极微弱光探测问题,以光电倍增管(PMT)为核心,设计了一款光子计数的光电探测系统。通过阻抗匹配技术对单光子脉冲进行整形以提高单光子脉冲稳定性和甄别计数可靠性,微分法测试脉冲高度分布以优化选择PMT工作高压、甄别阈值电平等工作参数,改善光电探测系统信噪比(SNR);以泊松点过程的脉冲堆积非线性分析模型为基础,搭建可精确改变相对光强的实验测试系统,测试脉冲堆积效应的作用类型和有效死时间并进行合理非线性校正以提高其线性度。实验结果表明,设计的光电探测系统可有效探测光子计数率低于140MHz的微弱光信号且线性度优于1.0%,提出的优化和实验方案对此类光电探测系统具有重要的借鉴意义。

全光纤分光转动拉曼测温激光雷达探测性能优化

采用光纤Bragg光栅的耦合模理论和转动拉曼激光雷达的温度反演算法,优化全光纤分光转动拉曼测温激光雷达系统的探测性能。以光纤Bragg光栅高斯型谱为基础,构建以光纤Bragg光栅为核心的全光纤分光系统的参数优化模型,以1.5km高度处大气温度的统计误差为优化目标进行仿真分析,得到光纤Bragg光栅的中心波长和半峰值带宽的优化值;为了使均匀光纤Bragg光栅的光谱旁瓣与大气分子的纯转动拉曼谱线匹配,局部优化光纤Bragg光栅的Bragg波长、平均折射率变化和光栅长度等结构参数,以构建光纤Bragg光栅加工系统及设置初始加工参数。结合望远镜耦合效率的仿真结果,分析了全光纤分光转动拉曼激光雷达的探测性能。仿真结果表明,全光纤分光转动拉曼激光雷达系统在高度1.5km处的统计温度误差可达1.3K。

绝对测温转动拉曼激光雷达分光系统设计及性能

为实现转动拉曼激光雷达的绝对测量温度技术,设计并测试了多通道转动拉曼分光系统.提出了一阶闪耀光栅与光纤Bragg光栅组成的两级并行多通道拉曼分光系统,优化了其核心级联器件(微米级光纤阵列)的参数及光路结构;仿真分析了一级分光系统的分光光路,转动拉曼谱线最大离心伸缩量约为0.0031 nm,离心伸缩比为0.69%;实验测试表明一级分光系统各转动拉曼通道的通道系数均在0.75以上,提取到拉曼光谱的实测中心波长与理论值的最大偏差约为0.0398 nm,偏离度为8.86%,可提供对弹性散射信号27 dB以上的有效抑制,结合已有光纤Bragg光栅二级分光实现高达62 dB弹性散射的抑制效果,可以实现对单条偶转动量子数转动拉曼谱线的精细光谱提取.

基于取样光纤布拉格光栅的全光纤拉曼测温分光系统设计及优化

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测,转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声,以及对Mie-Rayleigh散射提供70 d B以上的带外抑制率.本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光路,构建高抑制率的全光纤拉曼测温分光系统,以实现大气温度的全天时和高精度探测.根据分光系统光路的传输特性,采用传输矩阵模型,优化设计了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比),得到了优化的光谱分光系统参数.利用该分光系统可实现太阳背景光强度和Mie-Rayleigh散射信号强度分别比转动拉曼散射信号强度弱40 d B和50 d B,信噪比高于100时,白天探测高度可达1.6 km.该全光纤分光系统具有小型化、抗干扰和稳定性高的优点,可为陆基及星载拉曼测温激光雷达提供一种全新的解决方案.

全光纤拉曼测温激光雷达分光系统设计

设计了一个532.25nm波长的转动拉曼激光雷达用新型全光纤分光系统,对强背景噪音下微弱的转动拉曼信号进行高精度提取,以用于探测大气温度。该新型全光纤分光系统由3个光纤布拉格光栅(FBG)及光纤环行器构成,利用FBG的波长选择特性,可高精度剔除大气回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号成份,分离出中心波长分别为530.6nm和528.8nm的转动拉曼散射信号,用于反演大气温度。通过对分光系统进行参数优化设计和数值计算,表明基于FBG的分光系统可以对回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号进行高达7个数量级以上的抑制,满足转动拉曼测温激光雷达对米氏散射、瑞利散射信号的高精度剔除。