为了抑制边缘纯转动拉曼光谱成像偏差, 提出了一种高精度测温拉曼激光雷达光谱仪光学系统设计。该系统利用非球面透镜组对光谱仪成像球差进行校正, 针对光谱仪10 mm/nm的线分辨率要求, 采用双光栅结构设计并对测温拉曼光谱仪各参数进行光线追迹, 拟合得到双光栅的入射角、准直镜焦距和聚焦镜焦距的最优值。将拟合最优化结果代入Zemax 软件进行优化分析, 结果显示单个成像光谱成像宽度控制在0.771 5 mm, 间隔0.1 nm的纯转动连续光谱成像中心间隔可以达到1 mm, 满足了线阵探测器对成像质量的要求。通过计算在J=6级的纯转动拉曼后向散射信号对瑞利-米散射信号实现了108抑制, 达到了高精度纯转动拉曼激光雷达测温的目的, 解决了目前双光栅光谱技术无法达到提取355 nm波段纯转动拉曼高光谱精度的要求, 对测温拉曼激光雷达的技术发展有着深远的意义。

为研究中层大气分布情况, 采用自行研制的532 nm瑞利(Rayleigh)散射激光雷达, 对合肥地区(31.90 °N, 117.170 °E) 25～40 km高度范围内的大气密度和温度廓线分布进行观测。将瑞利散射激光雷达所测结果与NRLMSISE-00大气模型数据进行对比, 以验证瑞利散射激光雷达性能及数据处理方法的可靠性。通过数据对比得出, 在25～40 km高度范围内, 瑞利散射激光雷达获得的大气密度值与NRLMSISE-00大气模型密度值的比值为0.99～1.03; 瑞利散射激光雷达所测温度值与NRLMSISE-00大气模型数据的温度偏差均值约为2.8 K, 其中38 km以下两者温度偏差约为1.6 K。数据对比说明, 瑞利散射激光雷达观测值与NRLMSISE-00大气模型数据具有较一致的密度分布特征和温度分布特征, 瑞利散射激光雷达的观测结果能够较真实地反映合肥上空25～40 km高度范围内的大气密度和温度分布。

信噪比是激光雷达辐射能力的表征, 是度量激光雷达回波信号品质的重要参数,对信噪比的评估一直是研究者面临的问题。针对大气探测激光雷达, 对激光雷达回波信号噪声比例因子(NSF)和信噪比进行了分析研究; 通过自行研制的532 nm瑞利散射激光雷达的昼夜连续观测, 对噪声比例因子进行了估算, 计算得出实验激光雷达系统噪声比例因子在白天和夜间分别为0.07和0.034; 采用白天噪声比例因子值对激光雷达回波信号信噪比进行了估算, 计算结果表明: 基于噪声比例因子的信噪比估算法可较好地估算出系统回波信噪比。该方法为大气激光雷达系统总体设计和大气参数反演提供了数据依据。

在反射三极管实验平台上,通过浸渍碘化铯(CsI)碳纤维阴极与不锈钢阴极实验对比,研究了碳纤维阴极对虚阴极振荡器输出微波脉宽及能量的影响.实验得出碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波脉宽约200 ns,较不锈钢阴极虚阴极振荡器增加了30%;对输出微波脉宽面积近似积分,得出碳纤维阴极虚阴极振荡器与不锈钢阴极虚阴极振荡器的输出微波脉宽面积比值约为2.273,表明碳纤维阴极虚阴极振荡器输出微波能量是不锈钢阴极虚阴极振荡器的2倍左右.分析认为碳纤维阴极的材料特性及其综合发射机制导致阴阳极间等离子体膨胀速度及温度降低,延缓了阴阳极间隙的闭合,从而增加了输出微波脉宽,提高了微波输出能量.

分别用自制浸渍碘化铯(CsI)针式环状碳纤维阴极和环状不锈钢阴极所产生的电子束轰击尼龙目击靶,研究碳纤维阴极发射均匀性.在碳纤维阴极电子束轰击的目击靶上得到了均匀的烧蚀痕迹,而不锈钢阴极电子束轰击的目击靶上烧蚀痕迹不均匀,表明碳纤维阴极发射电子束的均匀性优于不锈钢阴极.分析认为两阴极不同的发射机制及其所特有的材料性质和结构导致其发射电子束均匀性的差异.用光学显微镜和电子显微镜对不锈钢阴极尖端和碳纤维阴极尖端和侧面进行扫描,发现不锈钢阴极仅尖端处被烧蚀,而碳纤维阴极尖端和侧面都有烧蚀痕迹,验证了碳纤维阴极由场发射和表面闪络共同作用的发射机制的假设分析.