可用于近红外高光谱分辨率激光雷达(HSRL)探测气溶胶光学特性的视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)鉴频器研究

Atmospheric aerosols are minute particles suspended in the atmosphere and play a very important role in physics and chemistry processes of atmosphere. Since they react differently with wavelengths, profiling their optical properties within a larger range helps to understand them better and possess great scientific and practical significance. Backscatter lidar is an effective method for atmospheric aerosol profiling. But standard backscatter lidars are limited by the aids of a priori asumptions in the retrieval process. High spectral resolution lidar (HSRL) employs a high-spectral-resolution filter to discriminate the scatterings from the aerosols and atmospheric molecules, and retrieve the aerosol optical properties directly. Due to lack of suitable spectral filters at the near-infrared range, there is no HSRL system found reported yet. Since the field-widened Michelson interferometer (FWMI) has a large field of view and is not limited by the wavelength, it is very suitable to be employed as the spectral filter in HSRL systems. This research aims to develop the theory of a near-infrared HSRL spectral filter basing on the FWMI technique, and will contribute to the establishment of the near-infrared HSRL system for profiling the aerosol optical properties within a larger range in the future.

大气气溶胶一般是指悬浮在大气中的直径为0.001-100微米的尘埃、云团等液体或固体颗粒，其对大气物理化学过程及人们的日常生活都有重要影响。由于气溶胶对各波长的反应不同，在较宽范围内对其探测可更全面地了解其特性，具有重要的科学和实际意义。后向散射激光雷达是探测大气气溶胶的有效手段之一。但普通后向散射激光雷达在反演大气参数时，需要对大气状态等做假设，精度受到限制。高光谱分辨率激光雷达(HSRL)通过具有高光谱分辨率的鉴频器，从大气散射中分离米散射和瑞利散射光谱，无需假设大气状态即可高精度反演气溶胶光学特性。但由于没有合适的鉴频器，近红外HSRL系统鲜见报道。视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)具有较大视场角，能量效率高而又不受发射激光波长的限制，非常适合用于构建近红外HSRL鉴频器。本项目研究基于FWMI的近红外HSRL鉴频器，为建立近红外HSRL系统以在更宽范围内探测气溶胶光学特性奠定基础。

大气气溶胶对气候和空气质量的影响日益突出，对气溶胶空间分布和光学属性精确测量的需求也随之增加。激光雷达技术在大气气溶胶遥感领域发挥着重要的作用。相比于标准后向散射激光雷达，高光谱分辨率激光雷达(HSRL)通过使用光谱鉴频器分离大气回波信号中由气溶胶粒子散射的米散射谱和由大气分子散射的瑞利散射谱，从而在不需要一些先验假设的前提下，实现对大气气溶胶光学参数(如后向散射系数、激光雷达比等)直接而精确的反演。目前HSRL光谱鉴频器可以分为原子/分子吸收鉴频器和干涉仪两类。第一类的主要代表是碘分子吸收鉴频器，它具有稳定的鉴频性能、较大的接收角以及对气溶胶信号的高抑制能力，但仅能工作在532nm波段。第二类的代表是法布里-珀罗(FP)干涉仪，它实现起来简单且能用于任意波长，但接收角非常小并进而限制了其应用。由于上述现有鉴频器的不足，在近红外波段构建HSRL一直是一个有待攻克的难题。.视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)具有较大视场角、能量效率高而又不受发射激光波长的限制，非常适合用于构建近红外HSRL鉴频器。本项目旨在研究基于FWMI的近红外HSRL鉴频器。研究近红外HSRL对鉴频器的性能要求及基于FWMI的近红外HSRL鉴频器的工作机理，建立一套基于FWMI的近红外HSRL鉴频器的全参数理论模型；研究用于近红外HSRL鉴频器的FWMI系统最优化设计方法，通过选择合适的干涉体系结构、材料及尺寸等，使得到的FWMI达到近红外HSRL对鉴频器的性能要求；建立一套可高稳定运行的、用于近红外HSRL高精度探测气溶胶光学特性的FWMI鉴频器原理性实验装置。.通过课题组三年的研究，圆满完成了预期的研究内容。建立了FWMI的理论体系，可用于对FWMI鉴频器系统各组件的参数需求进行评估，对该系统的设计、加工及装调过程进行指导；根据该理论体系设计了一套可用于近红外HSRL的FWMI原型，能够实现大于40的光谱分离比和大于1.5度(半角)的视场接收角；为了加强FWMI的稳定性，建立了一套自动频率锁定装置，能够将FWMI的频率准确稳定地锁定到HSRL激光频率，在一天时间内的均方根误差约15MHz。这些数据显示了所研制的FMWI具有极好的光谱分离性能，接收角性能和稳定性，能直接用于构建近红外HSRL。本项目成果对填补国内外在近红外HSRL技术方面的空白，拓展气溶胶高光谱遥感的谱域具有重要的科学意义。