大氣瑞利布里淵散射頻譜特性及溫度反演研究

《大氣瑞利布里淵散射頻譜特性及溫度反演研究》是依託華中科技大學，由馬泳擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大氣瑞利布里淵散射頻譜特性及溫度反演研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馬泳
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

項目針對大氣高精度和高解析度連續實時測溫這一科學問題，提出了基於大氣瑞利布里淵頻譜特徵參數頻域信號檢測實現30Km以下大氣溫度反演這一新方法。重點研究大氣瑞利布里淵頻譜線形的精確描述以及頻譜特徵參數的辨識，通過譜線展寬理論分析大氣瑞利布里淵散射譜線線形函式，解決頻域上重疊在一起的大氣瑞利布里淵散射譜特徵參數難以檢測和辨識的難題。研究依據頻譜特徵參數構建大氣溫度反演模型，解決通過檢測大氣瑞利布里淵頻譜特徵函式實現溫度測量的難點。研究在頻域上濾除米氏散射噪聲，實現對大氣瑞利布里淵散射譜精確檢測的方法。課題的理論創新是通過譜線展寬理論精確構建大氣瑞利布里淵線形函式，結合碰撞模型實現大氣瑞利布里淵頻譜特徵分析與辨識；通過頻域信號處理消除米氏散射噪聲是本項目的技術方法創新。這種基於大氣雷射瑞利布里淵散射頻域信號檢測的大氣測溫技術可為氣象預報、環保監測以及航空、航天、臨近空間飛行器提供運行氣象保障。

結題摘要

課題組在自然科學基金的資助下，研究和分析了大氣瑞利布里淵散射頻譜特性這一科學問題，完成了大氣瑞利布里淵譜線形的精確描述以及頻譜特徵參數的辨識。研究了頻譜噪聲特性以及器件展寬的影響，建立了相應的瑞利布里淵譜線信號處理方法。並依據以上理論構建大氣溫度反演模型，從而達到了通過檢測大氣瑞利布里淵頻譜特徵函式實現溫度測量的目的。具體來說，課題組首先建立了一種新的基於譜線展寬理論和Voigt線型的解析模型（V3模型）。該模型有解析形式，計算比較簡單。通過理論、仿真和實驗分析，其被證明能夠很好地與S6/S7模型相符合。而且，該模型還能夠在混合的氣體瑞利布里淵散射中分開瑞利散射譜和布里淵散射譜，並且測量的布里淵頻移能夠與理論值相符。其次課題組研究了不同大氣條件下各種頻譜特性與溫度等參數的關係，驗證和分析了在等壓和實際大氣環境下，大氣瑞利-布里淵散射譜的半高線寬與大氣溫度的平方根之間的線性關係。結果表明，兩種情況下二者的關係都較為符合線性，並擬合出了二者線性關係的最佳經驗公式。而後進行的誤差計算和分析表明，該測量方法的最大絕對誤差小於2K，而由線寬測量所造成的間接誤差大約在0.11K左右。從而在理論上驗證了該方法的可行性和有效性，並確定了模型的最佳適用範圍。接著課題組在對頻譜噪聲進行信號處理的過程中提出了一系列的處理方法。首先提出了一種用於從二維法布里-珀羅干涉環圖中提取高精度一維干涉譜的方法；然後分析了譜線噪聲特性，並針對這些噪聲的類型及特性，提出了時空結合的濾波算法，接著進一步分析了展寬作用對譜線的影響，討論了三種去器件展寬方法的測量精度、耗時問題以及實現方法等。通過這些信號處理方法，能夠使測量的布里淵頻移和線寬誤差由幾十MHz提高到幾MHz，明顯提高了測量精度。課題組在研究周期內達到了預定的目標、進度和研究內容。在該項目基金的支持下總計發表論文14篇，包括Optics Express, Applied Physics B, Journal of Optics等國際一流期刊，其中SCI收錄9篇，ISTP收錄1篇，被SCI雜誌接收但尚未發表2篇。申請國家發明專利2項，其中已授權1項；申請實用新型專利1項並已授權。培養博士生2名，其中1名已畢業，1名在讀；培養碩士生4名，其中2名畢業，2名在讀。