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基于后向散射增强效应的湍流激光雷达系统

大气湍流,后向散射增强效应,大气折射率结构常数,激光雷达

主题2 大气物理、化学、环境 > 专题2.4 大气垂直结构探测技术和过程研究

大气湍流引起的大气折射率结构常数随机起伏是限制空间光通信及光学遥感系统性能的主要因素，针对传统湍流探测仪器难以实时遥感湍流强度廓线的瓶颈，提出一种基于后向散射增强(Backscattering Enhancement, BSE)效应的双通道比值大气湍流激光雷达系统。基于广义惠更斯-菲涅耳原理，构建激光在湍流介质中双程传输的后向散射增强效应模型，模拟系统参数对增强系数K的影响，基于脉冲重复频率5 kHz、脉冲能量为450 μJ的微脉冲激光器，通过实时探测同轴与离轴回波信号的功率比值，利用钨丝和铂丝两种温度脉动仪作为近地面湍流强度参考，实验结果表明，增强系数K在一定范围内动态变化，与温度脉动仪测得的C_n²序列在时域内具有良好的一致性，两者的相关系数r可达0.80，初步验证了系统对弱湍流的探测能力。针对激光雷达系统的近场探测问题，引入了 6 结构参数影响的重叠因子归一化光学成像模型，通过识别重叠因子曲线在探测距离 340m 处对应 0.454 接收效率的特征交点，确定了判断收发光轴平行度的指标。引入该模型可使重叠因子校正的平均误差控制在 0.025 以内，系统有效探测范围降低至盲区边界223m，近场盲区相较于传统激光雷达缩短60%。本研究实现了从 BSE 物理效应向定量化大气遥感探测的技术转化，验证了利用 BSE 效应进行大气湍流精细探测的科学性与可行性，为研制具备长效演变监测能力的大气遥感仪器提供了理论依据与实验支撑。