大气瑞利布里渊散射频谱特性及温度反演研究

项目针对大气高精度和高分辨率连续实时测温这一科学问题，提出了基于大气瑞利布里渊频谱特征参数频域信号检测实现30Km以下大气温度反演这一新方法。重点研究大气瑞利布里渊频谱线形的精确描述以及频谱特征参数的辨识，通过谱线展宽理论分析大气瑞利布里渊散射谱线线形函数，解决频域上重叠在一起的大气瑞利布里渊散射谱特征参数难以检测和辨识的难题。研究依据频谱特征参数构建大气温度反演模型，解决通过检测大气瑞利布里渊频谱特征函数实现温度测量的难点。研究在频域上滤除米氏散射噪声，实现对大气瑞利布里渊散射谱精确检测的方法。课题的理论创新是通过谱线展宽理论精确构建大气瑞利布里渊线形函数，结合碰撞模型实现大气瑞利布里渊频谱特征分析与辨识；通过频域信号处理消除米氏散射噪声是本项目的技术方法创新。这种基于大气激光瑞利布里渊散射频域信号检测的大气测温技术可为气象预报、环保监测以及航空、航天、临近空间飞行器提供运行气象保障。

课题组在自然科学基金的资助下，研究和分析了大气瑞利布里渊散射频谱特性这一科学问题，完成了大气瑞利布里渊谱线形的精确描述以及频谱特征参数的辨识。研究了频谱噪声特性以及器件展宽的影响，建立了相应的瑞利布里渊谱线信号处理方法。并依据以上理论构建大气温度反演模型，从而达到了通过检测大气瑞利布里渊频谱特征函数实现温度测量的目的。. 具体来说，课题组首先建立了一种新的基于谱线展宽理论和Voigt线型的解析模型（V3模型）。该模型有解析形式，计算比较简单。通过理论、仿真和实验分析，其被证明能够很好地与S6/S7模型相符合。而且，该模型还能够在混合的气体瑞利布里渊散射中分开瑞利散射谱和布里渊散射谱，并且测量的布里渊频移能够与理论值相符。. 其次课题组研究了不同大气条件下各种频谱特性与温度等参数的关系，验证和分析了在等压和实际大气环境下，大气瑞利-布里渊散射谱的半高线宽与大气温度的平方根之间的线性关系。结果表明，两种情况下二者的关系都较为符合线性，并拟合出了二者线性关系的最佳经验公式。而后进行的误差计算和分析表明，该测量方法的最大绝对误差小于2K，而由线宽测量所造成的间接误差大约在0.11K左右。从而在理论上验证了该方法的可行性和有效性，并确定了模型的最佳适用范围。. 接着课题组在对频谱噪声进行信号处理的过程中提出了一系列的处理方法。首先提出了一种用于从二维法布里-珀罗干涉环图中提取高精度一维干涉谱的方法；然后分析了谱线噪声特性，并针对这些噪声的类型及特性，提出了时空结合的滤波算法，接着进一步分析了展宽作用对谱线的影响，讨论了三种去器件展宽方法的测量精度、耗时问题以及实现方法等。通过这些信号处理方法，能够使测量的布里渊频移和线宽误差由几十MHz提高到几MHz，明显提高了测量精度。. 课题组在研究周期内达到了预定的目标、进度和研究内容。在该项目基金的支持下总计发表论文14篇，包括Optics Express, Applied Physics B, Journal of Optics等国际一流期刊，其中SCI收录9篇，ISTP收录1篇，被SCI杂志接收但尚未发表2篇。申请国家发明专利2项，其中已授权1项；申请实用新型专利1项并已授权。培养博士生2名，其中1名已毕业，1名在读；培养硕士生4名，其中2名毕业，2名在读。