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用于多纵模高光谱分辨率激光雷达的马赫-泽德干涉仪的设计

张锐  
【摘要】:多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达系统,其摒弃了高光谱分辨率激光雷达必须采用单纵模脉冲激光的要求,直接采用大功率激光器出射的多纵模脉冲激光作为激励光源,应用具有周期性透过率函数的光谱鉴别器分离多纵模脉冲激光激励的大气分子瑞利散射信号和气溶胶米散射信号,以实现对大气气溶胶光学参量的精细探测。高光谱分辨率激光雷达系统的核心是光谱鉴别器,激励光源光谱的变化必然改变大气弹性散射回波信号的光谱,进而对多纵模高光谱分辨率激光雷达的光谱鉴别器提出与单纵模高光谱分辨率激光雷达的光谱鉴别器截然不同的要求,因此必须构建一套针对多纵模高光谱分辨率激光雷达光谱鉴别器的分析、设计与实现方法。本文选择可调谐视场展宽的马赫-泽德干涉仪作为多纵模高光谱分辨率激光雷达的光谱鉴别器,分析了马赫-泽德干涉仪分光性能的影响因素并提出设计与优化方案,进行了理论仿真和实验验证。与单纵模高光谱分辨率激光雷达的光谱鉴别器追求光谱分离比不同,多纵模高光谱分辨率激光雷达的光谱鉴别器将有效透过率作为性能评估指标。马赫-泽德干涉仪的有效透过率由其透过率曲线与大气回波信号共同决定,本文分别从大气回波信号、自身配置参数、实验环境等三个方面详细分析了马赫-泽德干涉仪有效透过率的影响因素,分别为:(1)基准光程差应与激光器光学谐振腔长的两倍和激光波长的整数倍相匹配;(2)必须抑制附加光程差;(3)需要根据光学元件的具体参数修正有效透过率;(4)需要实现马赫-泽德干涉仪透过率曲线与多纵模激光大气回波信号光谱的动态匹配。针对上述影响因素提出了相应的解决方案,具体为:(1)采用组合位移系统精确调整马赫-泽德干涉仪的光程差;(2)选用非球面透镜作为准直镜;(3)在马赫-泽德干涉仪长臂光路中加入视场补偿玻璃抑制了附加光程差;(4)通过光程差扫描实现马赫-泽德干涉仪透过率曲线与多纵模激光大气回波信号光谱的动态匹配。从仿真和实验等方面对设计搭建的马赫-泽德干涉仪的分光性能进行了验证,结果表明:(1)发散角为12.7°的点光源光束经非球面透镜准直后其发散角接近于0°;(2)补偿玻璃长度理想时可对发散角为30mrad以内的光束所产生的附加光程差进行有效抑制;(3)对多纵模激光用ZEMAX进行了仿真,视场补偿后其干涉光强对比度先随光程差的增大而缓慢减小为0,而后在光程差为两倍激光器光学谐振腔长处取得第二个极值0.561(视场补偿前为0);(4)对所用光学元件的参数进行测量并据此修正了有效透过率;(5)对马赫-泽德干涉仪的干涉条纹对比度进行了测量,结果显示单纵模激光照射下的干涉条纹对比度随光程差连续变化,而多纵模激光照射下的干涉条纹对比度在光程差为1010mm处取得极值0.453,由此确定了激光器光学谐振腔长应为505mm,最后进行了气溶胶后向散射系数的仿真反演。


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