以马赫-曾德尔干涉仪作为谱分析器,进行了多普勒频移和气溶胶的非相干探测模拟实验。在发射机脉冲能量为500 mJ,重复频率为10 Hz,光谱线宽不超过0.005 cm -1,光束发散角小于0.10 mrad,接收望远镜镜头直径为350 mm,以雪崩二极管为探测器,数字采样率为2×10 7 sampling/s,采样数据位数为16 bit(有效位数为11 bit)的条件下,获得了45°斜程探测距离为2500 m的风廓线,视线风速探测精度为2 m·s -1。模拟结果显示,以马赫-曾德尔干涉仪作为谱分析器的激光雷达可用于火星风沙直接探测。相对于354.7 nm激光脉冲,1064 nm激光脉冲(可以与激光诱导击穿光谱仪兼容)回波的干涉对比度高,Mie后向散射强度高于Rayleigh后向散射强度。

火星大气风速廓线探测对研究火星大气环境具有重要意义,基于马赫-曾德尔干涉仪的多普勒测风激光雷达相对于一般的相干/非相干多普勒测风激光雷达更适合于火星地基探测。为使马赫-曾德尔干涉仪对激光雷达中望远镜接收到的大视场角回波光信号进行频移检测,需要对马赫-曾德尔干涉仪进行视场展宽。对马赫-曾德尔干涉仪中棱镜式视场展宽技术与“猫眼”光学系统的视场展宽技术进行研究后发现,棱镜式视场展宽技术更具优势。设计并搭建了一套光程差为219 mm的马赫-曾德尔干涉仪,使用压电晶体扫描反射镜片的方式测量其对以11 mrad视场角入射的准平行光束的透射谱,得到干涉仪最大的干涉对比度为0.87,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。结合地球大气环境分析了干涉仪干涉对比度随高度的变化,结果表明:虽然大光程差马赫-曾德尔干涉仪的干涉对比度在5 km以下低空大气中随高度增加有小幅下降,但仍可使用这种干涉仪进行大气风速探测。

火星大气气溶胶的地基探测对研究火星大气环境具有重要意义, 为了能够在节约火星巡视器/着陆器体积、 重量的条件下进行气溶胶探测, 论证了基于巡视器车载激光诱导击穿光谱仪系统设计米散射激光雷达方案的可行性。 所设计的米散射激光雷达系统使用巡视器车载激光诱导击穿光谱仪的既有硬件资源, 加入分光元件和探测器模块, 构成与激光诱导击穿光谱仪系统集成的米散射激光雷达, 米散射激光雷达与激光诱导击穿光谱仪在火星地表分时工作, 互不影响。 为了论证所设计的米散射激光雷达的探测性能, 对Phoenix火星探测任务中独立的米散射激光雷达得到的一组原始回波信号数据进行了处理, 反演得到一组典型火星大气消光系数廓线, 结合消光系数廓线与系统硬件参数计算了所设计的米散射激光雷达的回波信噪比, 结果表明该系统在所用原始数据被记录的当日在火星大气边界层顶4 km高度处信噪比达到26 dB, 在10 km高度附近下降到0 dB, 说明基于火星巡视器车载激光诱导击穿光谱仪系统设计米散射激光雷达进行气溶胶探测具有现实可行性。 对比Phoenix的独立米散射激光雷达设计方案, 基于激光诱导击穿光谱仪的米散射激光雷达不但能够节省巡视器体积、 重量, 而且发射能量更高, 回波接收方案更为简单, 数据反演步骤更为简洁。

论证了马赫-曾德尔干涉仪对532 nm/354.7 nm大气后向散射的频谱分析性能。马赫-曾德尔干涉仪接收激光大气后向散射回波，通过测量双臂光路、正交偏振、四通道结构形成的干涉相位差和干涉对比度，计算大气的多普勒频移，以及大气气溶胶后向散射与气体分子后向散射的比值；发射脉冲激光器及其倍频器可以直接工作在多纵模状态下，大气的后向散射的频谱分析器可以不必与发射光中心频率锁定；给出同时探测大气的后向散射比分布廓线及大气风速的分析方法。马赫-曾德尔干涉仪作为大气后向散射的频谱分析器，若应用于高光谱分辨率激光雷达中，将成为一个性能优秀、前景广阔的大气分析装置。