摘要
中高层大气是行星际空间和地球大气边界的主要耦合区，是许多空间探测器的必经之路。青藏高原作为世界“第三极”，大气运动更为活跃。对青藏高原中高层大气进行探测，有助于整体理解太阳活动引起地球大气变化的物理链，对开展大气物质和能量输送、热力结构及重力波活动规律等研究具有重要意义。目前，对青藏高原中高层大气的探测比较匮乏，利用窄线宽钠多普勒激光雷达探测青藏高原中高层大气温度和风场是一种重要手段。然而，青藏高原昼夜温差大、气候严酷，使得钠激光雷达系统的研制需要克服许多工程和技术难题，同时青藏高原海拔高、空气稀薄、生态环境恶劣，给系统建设、运行和观测人员带来了严峻考验。 本文为提高钠激光雷达系统的长期稳定性和环境适应能力，降低系统对人的依赖性，做了以下研究工作: 1)提出了一种全固态、全光纤种子激光技术方案，并研制了该种子激光单元:利用全固态半导体外腔光栅反馈激光器产生窄线宽连续激光，并采用饱和吸收光谱技术、锁相技术和智能反馈稳频技术将其锁定在Na D2a的饱和吸收线上，其稳频精度和脱锁自动恢复能力，可保证整个观测夜内持续锁频，无需人为协助;全光纤耦合的电控自动三频率切换光电技术，与以往自由空间光路和机械转换技术相比，切换速度快、切换频率设置灵活，并大幅提高了对环境温度、振动和洁净度的适应能力;采用拉曼光纤放大和准相位匹配倍频技术，获得了高达2W的窄线宽589nm种子激光，为种子注入脉冲放大提供了足够余量种子激光功率。在上述系列技术的支撑下，整个种子激光单元具有结构紧凑、稳定性好、维护简便、环境适应能力强的优点。 2)基于上述种子激光技术，提出一种全固态、全光纤种子激光注入和脉冲染料激光放大的激光雷达技术方案，并研制出一套半固态、半染料的钠测温测风激光雷达系统:通过全固态、全光纤种子激光注入，和脉冲染料激光放大，获得了高功率、窄线宽的589nm脉冲激光;采用1m口径的长焦望远镜接收激发高空钠层产生的荧光回波，并通过光纤耦合、准直、单光子技术检测、高速数据采集，实现了钠层风温数据的获取。该系统的发射激光单元、信号接收单元和数据采集与控制单元集成到两个可移动的方舱中，整机系统结构紧凑、大幅降低了观测人员的操作难度和劳动强度。该系统在淮南集成以后，经过四千多公里的长途运输，顺利地重新部署于西藏高原的羊八井（海拔4300m），完全适应当地的环境，进一步验证了该系统的稳定性。并且经过半年以来的观测运行考核，一直稳定无故障运行。 3)利用该钠测温测风激光雷达系统，开展了青藏高原上空钠层温度和风场初步观测和数据抽样分析。通过对垂直方向和东向温度进行对比，表明两个通道观测结果具有一致性;通过对相邻两日夜间温度结果进行比较，能反映出青藏高原中高层大气温度的日变化热力学特征;通过对激光雷达观测得到的温度结果与时间和地理位置接近的卫星数据进行对比，二者随高度变化趋势基本一致，反映了观测数据的准确性;通过对经向风和纬向风随时间演化的结果分析，得到相位向下传播的动力学结构。通过上述数据的对比分析，初步验证了该全固态种子注入激光雷达系统的稳定性和探测能力，能够满足项目最初提出的为大气动力学和热力学研究的提供科学数据支撑的需求。
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