基于自發瑞利-布里淵散射測量空氣的溫度

摘要：瑞利-布里淵散射的散射截面比拉曼散射大,因而其在大氣散射中實現對大氣對流層溫度廓線的準確測量方面具有一定的優勢,同時利用瑞利-布里淵散射實現高壓環境下溫度的準確測量對于航天飛機主引擎狀態的監測和超燃發動機燃燒室參數測量方面具有重要意義。基于自發瑞利-布里淵散射分別采用反卷積方法和卷積方法來實現空氣在不同壓力條件下的溫度反演,研究引起溫度反演誤差的原因,并對利用兩種方法獲得的溫度測量結果進行了比較。在利用基于維納濾波器的反卷積方法對測量光譜直接處理實現溫度反演之前,首先利用反卷積方法對由自發瑞利-布里淵散射模型與儀器函數卷積得到的卷積光譜進行處理獲得反卷積光譜,將反卷積光譜與未經卷積的理論計算光譜進行比較實現溫度反演,并基于溫度反演誤差小于1.0K,光譜擬合誤差相對較小,光譜處理時間短的參數優化原則對反卷積方法中的關鍵參數奇異值疊加數進行了優化處理,得到優化后的奇異值疊加數為150。隨后實驗測量了由532nm波長的連續激光激發的純凈空氣在溫度為294.0K,壓強為1~7bar條件下的自發瑞利-布里淵散射光譜,并結合理論計算光譜和最小χ^2值原理對光譜信號散射角進行優化,優化值為90.7°,同時利用反卷積和卷積方法分別對實驗測量光譜進行處理實現空氣在不同壓強下的溫度反演。實驗結果表明反卷積方法在一定程度上可以提高信號光譜分辨率,而且利用反卷積和卷積方法均可以實現空氣在不同壓力(1~7bar)條件下溫度的準確測量,溫度測量的最大誤差均小于2.0K;利用反卷積方法的溫度反演結果隨著氣體壓強的增大隨之得到改善,實現溫度反演測量所需要的光譜處理時間減少;在空氣壓強較低(≤2bar)時,由卷積方法獲得的溫度反演結果要優于反卷積方法,壓強較高(>2bar)時,兩種方法