全光纤拉曼测温激光雷达系统集成方法与实验研究

According to the research achievements obtained by NSFC closed, aimed at the technical requirements in lidar design for space-based and satellite-based platforms, the system integration methods and experimental research for an all-fiber Raman temperature lidar with the visible laser wavelength are proposed. Based on the temperature measurement principle of atmospheric molecular rotational Raman scattering, with the narrowband Fiber Bragg Grating (FBG) in the visible light as the core spectroscopic device, the research is focused on the key technologies and methods in the system intergration processing, such as the optical, mechanical and electrical system efficiency optimization method，spectroscopic system design of all-fiber rotational Raman, stray light isolation between the FBG filters, sidelobe suppression of FBG, wavelength tuning technology, suppression of intense background noise, weak signal extraction and inversion algorithm, and the ultimate goal is to establish an experimental system of all-fiber Raman temperature lidar. The calibration experiments will be carried out by comparing with the existing temperature lidar, and its feasibility of system performance parameters, including its principles, methods and technologies will be validated to obtain the system integration methods and techniques of all-fiber Raman temperature lidar..Relying on the previous research achievements, particularly, the research incorporates the latest technologies and methods of modern fiber sensor, laser sensing and system integration, and its achievements will provide a set of new ideas, method and system integration technology for the future development of space-based or satellite-based platform all-fiber temperature lidar.

项目依据已结题国家基金项目所取得的研究成果，针对空基与星基平台的激光雷达设计技术要求，提出全光纤可见波段拉曼测温激光雷达系统集成方法与实验研究。采用大气分子的转动拉曼测温原理，以研制成功的可见光波段窄带光纤布喇格光栅（FBG）为核心器件，重点研究系统集成过程中光机电系统的效率优化方法，全光纤的转动拉曼分光系统的设计方法， FBG滤光器间的杂散光隔离及FBG的旁瓣抑制与波长调谐技术，强背景噪声的抑制与极微弱信号提取及参数反演算法等技术与方法，以期构建全光纤分光的拉曼测温激光雷达实验系统。通过与现有拉曼测温激光雷达系统对比实验研究，验证系统所涉及的原理、方法及技术可行性，获得全光纤拉曼测温激光雷达的系统集成方法与技术。研究依托前期研究成果，特别融合了现代光纤传感、激光探测与系统集成等新技术与方法，其成果将为未来发展空基或星基平台的全光纤温度探测激光雷达提供新的思路、方法及系统集成技术。

项目围绕全光纤拉曼测温激光雷达系统集成方法与实验展开研究，取得的主要进展包括：.(1) 在逐点刻写光纤布拉格光栅（FBG）过程中，通过优化光束的束斑，提高了栅区的对比度，进而优化FBG的滤波性能；基于理论分析和有限元方法，结合高精度温控系统和近似等强度悬臂梁结构，提出了FBG反射中心波长的精细调谐方法，探明了全光纤拉曼分光系统中可见光FBG的温度响应函数和表贴基底的应变-波长函数；为满足全光纤拉曼分光系统对可见光FBG性能参数的需求，设计了利用多级级联FBG的光纤光路与模拟大气回波信号测量光路，实现了米散射70dB的抑制率及验证；研究了保证拉曼散射高低量子数提取精度的拉曼测温激光雷达系统集成方法，设计了均匀温场和均布应变集成结构，实现了高稳定性和高精度的全光纤拉曼分光系统集成；针对全光纤拉曼测温激光雷达探测数据特点，在探测数据预处理中提出并使用了基于三次样条函数的可视化插值法和基于变换矩阵的无量纲统一化转换方法；利用全光纤拉曼分光系统探测了大气温度廓线，经与现有标定结果进行比对，测量结果满足设计要求。.(2) 针对星载有效载荷的特殊需求，优化了全光纤拉曼分光光路，提出了全光纤拉曼分光系统的无源温度补偿方法，实现了没有温控系统时宽温范围内拉曼散射高低量子数的高精度提取。.(3) 在全光纤拉曼测温激光雷达系统中，针对回波信号信噪比低的问题，提出了利用取样光纤布拉格光栅与FBG多级级联的光纤分光光路，实现了全天时条件下更远的探测距离。.在上述研究的基础上，建立了一套先进的全光纤拉曼测温激光雷达系统集成方法，该方法综合了现有激光雷达与波导光纤技术，可获得大气温度的分布及时空演化规律，分光系统具有高稳定性、小型化、轻量化、高灵敏度等优点。可为我国星基与空基拉曼测温激光雷达的发展提供全新的技术支持及解决方法，也为研究太阳辐射、碳全球分布、地球动力学上的热量转递、地球温室效应等提供全新的应用基础理论，具有重要的科学意义和应用前景。