中文摘要：

准确可靠地探测对流层二氧化碳（CO2）浓度分布和变化为研究当前全球变暖、气候骤变和环境保护提供科学依据。以现有的拉曼激光雷达原理性实验样机为基础，依据拉曼散射增益理论，提出种子光注入技术与拉曼激光雷达相结合的探测新方法。研究高压条件下的二氧化碳气体的拉曼散射效应，分析其增益条件下的一阶Stokes（S1）能量的输出性质，得到其开关阈值和激励光源的饱和强度值，最终获得理想的种子光谱。本项目研究进一步提高激光雷达的机械、光学和电子学的性能，得到种子光谱注入条件下的二氧化碳拉曼增益回波信号。分析回波信号的强度变化和有效性，处理得到局部区域的二氧化碳含量分布曲线。加强实验观测和数据积累，得到对流层内二氧化碳含量分布和变化的时空特征。开展对比实验观测，初步确定种子注入条件下的拉曼雷达系统标定常数。提高二氧化碳的探测范围和探测精度，并进一步总结对流层二氧化碳的浓度含量和分布变化规律。

结论摘要：

研究以现有的拉曼雷达实验样机为基础，开展了对低空二氧化碳时空分布的理论和实验探索，寻求一种新的探测技术，以提高利用激光雷达探测二氧化碳精度，并分析对流层内的时空分布特征。（1）受激拉曼散射增益谱理论与实验研究。基于拉曼散射理论对二氧化碳气体的受激拉曼散射效应进行理论和实验研究分析了二氧化碳气体拉曼频移值和拉曼散射截面，计算其在532nm和354.7nm激光激励下的Stokes光和Anti-stokes光的波长，分析其不同级别下的光的波长间隔和能级。选择354.7nm下激励下二氧化碳气体的一级Stokes光（简称S1）作为测量目标，实验测量S1在可变泵浦光激励下的能量曲线特征。实验调整改变高压二氧化碳气体的压力，配合激励源能量变化，得到不同压力下高纯二氧化碳气体的拉曼散射阈值，测得拉曼散射效应的饱和值等物理参数。为取得最佳的拉曼散射光谱作为种子诱导光源作基础。（2）拉曼激光雷达的系统调试和实验研究。对现有拉曼激光雷达原理样机的性能和探测方法进行功能性改进设计加工了具有高抑制比的光学滤波片，其中心波长接近二氧化碳的S1光谱，带外抑制比要达到10-12，能够有效地把二氧化碳拉曼散射信号从强度大于其几个数量级的诸多干扰回波中挑选出来，并充分截止强大的噪声信号。完成拉曼激光雷达系统工作前的光路调试和检测工作，包括激光器性能检测、后继光路光束发散角的校准工作和系统各单元的长期稳定性测量等。验证光学系统设计的合理性和光学机械结构的稳定性。对拉曼雷达系统采集到的二氧化碳气体和参考气体回波信号的真实性验证。充分考虑了所有可能的光学回波噪声，对拉曼雷达系统的各种干扰信号进行监测，证明了拉曼雷达回波信号的真实可靠性。（3）开展了受激拉曼增益光谱作为种子诱导与拉曼激光雷达相结合进行探测研究。在拉曼激光雷达的光路上增加一条工作通道，让种子光作为诱导光注入，对比拉曼回波信号的变化。分析拉曼激光雷达与种子诱导光注入两种探测手段下的二氧化碳回波信号的不同，理论计算拉曼增益的物理参数。根据受激拉曼增益谱线理论，结合探测回波信号的强弱差别，修正种子诱导条件下的拉曼回波方程。同时开展了对种子注入下拉曼激光雷达探测系统的对比性实验，和低空近地面的探测结果进行对比分析，得到低空5千米范围内的二氧化碳的时空分布特征，探测精度可以达到5ppm，对流层3千米范围内的探测精度可以达到2ppm。