《探測對流層二氧化碳濃度分布受激RAMAN增益雷射雷達研究》是依託山東師範大學，由趙曰峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：探測對流層二氧化碳濃度分布受激RAMAN增益雷射雷達研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：趙曰峰
- 依託單位：山東師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
準確可靠地探測對流層二氧化碳（CO2）濃度分布和變化為研究當前全球變暖、氣候驟變和環境保護提供科學依據。以現有的拉曼雷射雷達原理性實驗樣機為基礎，依據拉曼散射增益理論，提出種子光注入技術與拉曼雷射雷達相結合的探測新方法。研究高壓條件下的二氧化碳氣體的拉曼散射效應，分析其增益條件下的一階Stokes（S1）能量的輸出性質，得到其開關閾值和激勵光源的飽和強度值，最終獲得理想的種子光譜。本項目研究進一步提高雷射雷達的機械、光學和電子學的性能，得到種子光譜注入條件下的二氧化碳拉曼增益回波信號。分析回波信號的強度變化和有效性，處理得到局部區域的二氧化碳含量分布曲線。加強實驗觀測和數據積累，得到對流層內二氧化碳含量分布和變化的時空特徵。開展對比實驗觀測，初步確定種子注入條件下的拉曼雷達系統標定常數。提高二氧化碳的探測範圍和探測精度，並進一步總結對流層二氧化碳的濃度含量和分布變化規律。
結題摘要
研究以現有的拉曼雷達實驗樣機為基礎，開展了對低空二氧化碳時空分布的理論和實驗探索，尋求一種新的探測技術，以提高利用雷射雷達探測二氧化碳精度，並分析對流層內的時空分布特徵。 （1）受激拉曼散射增益譜理論與實驗研究。基於拉曼散射理論對二氧化碳氣體的受激拉曼散射效應進行理論和實驗研究：分析了二氧化碳氣體拉曼頻移值和拉曼散射截面，計算其在532nm和354.7nm雷射激勵下的Stokes光和Anti-stokes光的波長，分析其不同級別下的光的波長間隔和能級。選擇354.7nm下激勵下二氧化碳氣體的一級Stokes光（簡稱S1）作為測量目標，實驗測量S1在可變泵浦光激勵下的能量曲線特徵。實驗調整改變高壓二氧化碳氣體的壓力，配合激勵源能量變化，得到不同壓力下高純二氧化碳氣體的拉曼散射閾值，測得拉曼散射效應的飽和值等物理參數。為取得最佳的拉曼散射光譜作為種子誘導光源作基礎。 （2）拉曼雷射雷達的系統調試和實驗研究。對現有拉曼雷射雷達原理樣機的性能和探測方法進行功能性改進：設計加工了具有高抑制比的光學濾波片，其中心波長接近二氧化碳的S1光譜，帶外抑制比要達到10-12，能夠有效地把二氧化碳拉曼散射信號從強度大於其幾個數量級的諸多干擾回波中挑選出來，並充分截止強大的噪聲信號。完成拉曼雷射雷達系統工作前的光路調試和檢測工作，包括雷射器性能檢測、後繼光路光束髮散角的校準工作和系統各單元的長期穩定性測量等。驗證光學系統設計的合理性和光學機械結構的穩定性。對拉曼雷達系統採集到的二氧化碳氣體和參考氣體回波信號的真實性驗證。充分考慮了所有可能的光學回波噪聲，對拉曼雷達系統的各種干擾信號進行監測，證明了拉曼雷達回波信號的真實可靠性。 （3）開展了受激拉曼增益光譜作為種子誘導與拉曼雷射雷達相結合進行探測研究。在拉曼雷射雷達的光路上增加一條工作通道，讓種子光作為誘導光注入，對比拉曼回波信號的變化。分析拉曼雷射雷達與種子誘導光注入兩種探測手段下的二氧化碳回波信號的不同，理論計算拉曼增益的物理參數。根據受激拉曼增益譜線理論，結合探測回波信號的強弱差別，修正種子誘導條件下的拉曼回波方程。同時開展了對種子注入下拉曼雷射雷達探測系統的對比性實驗，和低空近地面的探測結果進行對比分析，得到低空5千米範圍內的二氧化碳的時空分布特徵，探測精度可以達到5ppm，對流層3千米範圍內的探測精度可以達到2ppm。
