李啟蒙 李仕春 秦宇麗 胡向龍 趙靜 宋躍輝 華燈鑫

(西安理工大學機械與精密儀器工程學院,西安 710048)

1 引 言

大氣溫度是描述大氣物理狀態(tài)的重要參數之一,可表征空氣的冷熱程度,與太陽輻射、海拔高度、大氣濕度及壓力等密切相關,是天氣分析與預報以及大氣環(huán)境監(jiān)測的重要氣象參數之一[1].在大氣科學領域中,分層研究大氣結構主要依據不同高度處溫度的變化關系,大氣中發(fā)生的熱力過程[2]和水汽凝結現象也與大氣溫度密切相關.垂直方向上的明顯大氣溫度變化可引起大氣在垂直方向上的熱運動,使得大氣密度、濕度等性質發(fā)生明顯變化,從而會影響到云霧、降水、沙塵的聚散等重要天氣現象[3].近年來,由于人為干預自然對大氣環(huán)境的影響,例如大規(guī)模使用石油、煤等非綠色能源,使得CO2的排放量急劇增加,溫室效應以及城市熱島效應等異?，F象頻繁發(fā)生.因此,對于大氣科學的深入分析和高精度長時效的數值天氣預報,研究具備高時空分辨率的大氣溫度精細探測技術有著重要的科學價值[4]和社會意義.

激光雷達作為一種主動遙感技術,已廣泛應用于大氣和海洋等探測領域[5],是現代雷達技術從厘米波、毫米波向光波的延伸發(fā)展,實現了遙感技術向高時空分辨率、高精度領域的發(fā)展[6].轉動拉曼激光雷達作為探測大氣溫度激光雷達的一個分支,其設計研究主要集中于拉曼光譜分光系統(tǒng),由于米-瑞利散射截面相對轉動拉曼散射要高3—4個數量級,欲精細提取出微弱的轉動拉曼信號,需要對強烈彈性散射信號提供60—70 dB抑制[7,8],故合理且高效的拉曼分光系統(tǒng)成為拉曼激光雷達得以應用的關鍵.為此,國內外學者大多采用兩級分光串聯的系統(tǒng)結構,設計并實現了采用雙衍射光柵[9?11]、雙干涉濾光片[1,12]、衍射光柵結合原子蒸氣濾波器[13]和光纖光柵[14,15]為核心光學濾波器件的轉動拉曼分光系統(tǒng).然而,上述分光系統(tǒng)都是通過提取兩路溫度敏感性相反的轉動拉曼信號,利用兩者的比值獲得大氣溫度廓線[16],可稱為拉曼相對測溫[17],反演過程中需借助其他并行設備進行數據校正.通常由于大氣狀態(tài)的不可重復性,限制了激光雷達系統(tǒng)校正過程的精確性,進而影響拉曼激光雷達的探測精度.2001年,英國劍橋大學的研究人員曾提出利用攜有溫度信息的轉動拉曼譜線直接反演大氣溫度,實現絕對探測技術[18],使得絕對測溫轉動拉曼激光雷達的分光系統(tǒng)設計成為轉動拉曼激光雷達領域的重要研究方向.相對于拉曼相對測溫,絕對測溫技術可避免校正過程中引入系統(tǒng)誤差,提高探測精度,但高精細的拉曼光譜分光要求是制約絕對測溫技術發(fā)展的難題.

基于課題組在全光纖轉動拉曼光譜分光領域的研究成果和衍射光柵分光系統(tǒng)的研究進程[14,17],本文依據拉曼光譜頻移特性和衍射光柵分光原理,仿真計算氮氣分子相鄰轉動拉曼譜線間的波長差以及經一階閃耀光柵分光后的衍射位置分布,分析相鄰譜線的波長差與衍射位移差的對應關系,設計并搭建了基于一階閃耀光柵對接多通道光纖陣列的一級分光系統(tǒng);實驗測試各光纖通道的通道系數和帶外抑制率以及拉曼光譜與多通道光纖陣列的匹配一致性,驗證了級聯光纖Bragg光柵二級分光組成的兩級多通道拉曼分光系統(tǒng)的分光性能.其中一階閃耀光柵的衍射效率約為80%,光柵Bragg光柵的透過率高于90%,所以兩級分光系統(tǒng)的理論透過率約為70%,然而系統(tǒng)構建時存在空間光與小芯徑(數微米)光纖的低耦合效率問題[19,20].雖然這會限制系統(tǒng)的探測距離,但是該分光系統(tǒng)可實現精細提取單條轉動拉曼譜線,為絕對探測大氣溫度轉動拉曼激光雷達提供了合理且高效的分光方法與技術支撐.

2 轉動拉曼激光雷達分光系統(tǒng)

用于絕對測溫的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)結構如圖1所示,采用兩級分光系統(tǒng)拼接的方法實現對彈性散射信號60—70 dB的抑制.圖2為兩級分光系統(tǒng)的具體分光光路示意圖,采用一階閃耀光柵作為一級分光的主要分光器件,本課題組在國內首次研制成功的可見光波段光纖Bragg光柵作為二級分光核心器件,通過微米級光纖陣列實現兩級分光系統(tǒng)的級聯對接.大氣回波信號通過光纖陣列的輸入光纖(CH2)進入一級分光系統(tǒng),經透鏡準直入射到一階閃耀光柵,不同波長的光信號由于一階閃耀光柵的色散作用而發(fā)生光譜分離,再經透鏡聚焦排列在處于焦平面處的光纖陣列端面,由光纖通道(CH1和CH3—CH12)對應接收,之后級聯到二級分光系統(tǒng)(FBG)進行二次分光.其中光纖陣列作為對接兩級分光系統(tǒng)的關鍵結構,直接影響著整個分光系統(tǒng)的工作性能,因此光纖陣列的結構設計及光纖參數的選擇至關重要.

圖1 絕對測溫轉動拉曼激光雷達系統(tǒng)Fig.1.Rotational Raman temperature lidar for absolute measurement.

3 拉曼分光光路分析

由于氮氣和氧氣分子的轉動拉曼譜線呈現交叉分布,且相鄰譜線的間距微小,對提取單條氮氣分子的拉曼譜線形成強烈干擾,所以探究氮氣分子拉曼散射頻移以及相鄰轉動拉曼譜線間距是分光系統(tǒng)設計的必要過程.轉動拉曼光譜中,雙原子分子對應anti-Stokes分支的拉曼頻移[21]關系為

式中λ0為彈性散射信號的中心波長.由于拉曼頻移關系式中D0[3(2J?1)+(2J?1)3](簡稱D0項)的存在,使得氮氣分子相鄰轉動拉曼譜線間距隨轉動量子數J增大而呈現遞減趨勢,為觀察D0項對拉曼頻移的影響,假設拉曼頻移關系中不含D0項,得出相鄰偶轉動量子數拉曼譜線間的波長差與原拉曼頻移關系(含D0項)得出的相鄰波長差進行對比,從而獲知D0項在拉曼頻移中所占的權重.

圖2 兩級拉曼分光系統(tǒng)分光光路Fig.2.Optical path of two-stage Raman spectroscopic fi lter.

anti-Stokes分支中氮氣與氧氣分子的轉動拉曼光譜強度分布及相鄰偶轉動量子數轉動拉曼譜線的波長差如圖3所示,圖中紅色方形實點和藍色圓形實點分別表示溫度在300 K時,氮氣(N2)和氧氣(O2)分子的轉動拉曼頻移關系及散射截面強度;右起第一個黑色菱形實點為轉動量子數J=2的轉動拉曼譜線與彈性散射波長λ0的波長差,其余表示氮氣分子相鄰偶轉動量子數轉動拉曼譜線間的波長差,例如右起第二個點描述的是轉動量子數J=4相對于J=2轉動拉曼譜線的波長差,黑色帶箭頭實線表示彈性散射信號的中心波長位置.

由圖3可知,氮氣與氧氣分子的相鄰轉動拉曼譜線間距微小,部分譜線存在重疊現象,為避免相鄰光譜串擾,故選擇性地提取氮氣分子對應轉動量子數J=6,10,12,16,20,22的轉動拉曼譜線[17]. 氮氣分子相鄰偶轉動量子數的轉動拉曼譜線間波長關系表明,波長差?λ由0.4506 nm到0.4475 nm逐漸遞減,平均值約為0.4494 nm,浮動區(qū)間為?0.0012—+0.0019 nm,對比可得出D0項引入的最大離心伸縮量?l約為0.0031 nm,定義離心伸縮比

圖3 溫度為300 K時,氮氣和氧氣分子轉動拉曼光譜強度分布及相鄰偶轉動量子數拉曼譜線波長差Fig.3.Distribution of rotational Raman spectra intensity of Nitrogen and Oxygen molecules at 300 K temperature and the wavelength difference of Raman spectra of adjacent rotational quantum number.

衍射光柵會導致不同波長的入射光發(fā)生色散是一階閃耀光柵分光的根本依據,其中光柵的線色散是指不同波長的光譜在聚焦鏡的焦平面上能分開的距離.在正透鏡焦平面上,波長λ的色散距離Ldis(λ)為

式中,f是凸透鏡的焦距,d和m分別是光柵常數和衍射級次(本文取m=1),θ是不同入射波長λ對應的衍射角.波長λ的衍射會聚點相對閃耀波長λb會聚點的線距離Ld可表示為直線距離Ld越長,對應焦平面上的空間分辨能力越強.

基于衍射光柵的分光原理,仿真計算了經一階閃耀光柵分光后的理論衍射位移差,其中主要仿真參數:激光波長λ0=532.1 nm,閃耀光柵的光柵常數d=1200 lines/mm,準直透鏡焦距f=220 mm.氮氣分子偶轉動量子數拉曼譜線的衍射位置分布及相鄰譜線間的衍射位移差如圖4所示,圖中黑色圓點表示氮氣分子偶轉動量子數的轉動拉曼譜線對應焦平面上的衍射位置;上三角形表示比相應轉動拉曼譜線波長更短譜線的衍射位移差(即左鄰位移差),而下三角形箭頭表示比相應轉動拉曼譜線波長更長譜線的衍射位移差(即右鄰位移差),三角形旁邊的數字和字母表示經過衍射光柵分光后相鄰譜線屬性,例如,轉動量子數J=6譜線的上三角形和9O2,表示該譜線的左邊相鄰譜線是轉動量子數J=9的氧氣分子譜線,而下三角形和7O2,表示該譜線的右邊相鄰譜線是轉動量子數J=7的氧氣分子譜線;圖中標示出衍射位移差為±25μm的兩條水平虛線,可稱為譜線分離禁帶.

由圖4可看出,欲提取的轉動拉曼譜線與相鄰譜線的衍射位移差值皆大于25μm,相鄰拉曼譜線的衍射位移差近似為125μm.為提取單條轉動拉曼光譜且避免譜線間的相鄰串擾,光纖陣列中用于接收轉動拉曼光譜的光纖間距應為125μm.入射光纖芯徑不宜過大,應避免轉動拉曼光譜的衍射會聚點中心位置±25μm范圍內混入其他干擾光譜,故入射光纖芯徑應控制在50μm內,以保證分光光路中的逆向光斑尺寸.

圖4 相鄰偶轉動量子數轉動拉曼光譜的衍射位移差及衍射位置分布Fig.4.Diffraction displacement difference and the distribution of diffraction position of rotational Raman spectra of adjacent rotational quantum number.

圖5 不同入射角φ條件下相鄰轉動拉曼光譜的衍射位置變化關系Fig.5.The relationship between the diffraction positions of adjacent rotational Raman spectra under different incidence angle φ.

根據Littrow自準直法則,改變入射角會造成衍射位移的基準波長發(fā)生偏移,相鄰譜線的衍射位移差也會發(fā)生不同程度的改變.仿真計算不同入射角φ條件下轉動拉曼譜線的衍射位置分布情況,如圖5所示,圖中下三角、上三角、圓形和方形實點分別表示入射角18.606°,18.600°,18.595°和18.590°時轉動拉曼譜線的衍射位置,參考左側縱向坐標軸;不同顏色的柱狀圖分別對應不同入射角條件下相鄰轉動拉曼譜線的衍射位移差?L與定值125μm的差值,例如右起第一列柱狀圖表示,在不同入射角條件下,轉動量子數J=2(531.76 nm)與J=4(531.31 nm)轉動拉曼譜線的衍射位移差與125μm的差值;圖右側標示出入射角條件為18.606°時,光纖陣列與轉動拉曼光譜的位置匹配關系.

由圖5可知,彈性散射信號和轉動拉曼信號分居入射光纖兩側,在入射角φ發(fā)生變化時,轉動拉曼光譜的衍射位置出現整體偏移現象,致使光纖陣列與轉動拉曼光譜的匹配關系發(fā)生改變,然而各拉曼譜線會聚位置呈現均勻分布,相鄰譜線間的衍射位移差?L相對于定值125μm的浮動范圍為?0.57—+0.51μm,其浮動數值小于光纖陣列的加工誤差±2μm.以此推斷,當入射角φ變化很小時,相鄰譜線間的衍射位移差?L近似恒定,空間衍射位置均勻分布,并且可以通過微調入射角度改變轉動拉曼光譜與多通道光纖陣列的匹配關系,提高多通道光纖陣列的利用率,故用于對接兩級分光系統(tǒng)的多通道光纖陣列可設計為線性排列的均勻分布式結構.

4 拉曼分光系統(tǒng)性能測試

圖6 12通道光纖陣列示意圖 (a)光纖排列結構;(b)實物圖Fig.6.The schematic diagram of 12-channel fi ber array:(a)The structure of fi ber array;(b)physical picture.

拉曼光譜與多通道光纖陣列的匹配一致性以及各光纖通道的帶外抑制率和通道系數是并行多通道分光系統(tǒng)的主要性能指標,是驗證分光系統(tǒng)分光性能的重要依據.其中帶外抑制率性能除了涉及本文重點討論的抑制強烈的彈性散射信號外,該系統(tǒng)還能抑制轉動拉曼譜線間的太陽背景光譜,故該分光系統(tǒng)可能具備較好的白天溫度探測能力.帶外抑制率測試需要模擬轉動拉曼信號和彈性散射信號,分析及實驗均表明,很難將太陽背景光耦合進可見光波段的單模光纖,因此本文利用寬譜光源與半導體激光器(LD)光源作為輸入光源,搭建由一階閃射光柵、多通道光纖陣列與凸透鏡組成的一級分光系統(tǒng),并測試其系統(tǒng)參數和光譜性能,主要器件參數如表1所列.通過仿真分析可設計出線性排列的均勻分布式12通道光纖陣列,如圖6所示,其中光纖直徑為125μm,左起第1,2根為50μm芯徑的多模光纖(MMF),其余為芯徑為9μm的單模光纖(SMF).

表1 一級分光系統(tǒng)和輸入光源的主要參數Table 1.The main parameters of primary spectroscope and input light source.

4.1 通道系數及匹配一致性測試

多通道光纖陣列與單條轉動拉曼光譜的精準匹配是絕對反演大氣溫度的重要條件,因此測試各光纖通道的通道系數及拉曼光譜與多通道光纖陣列的匹配一致性是很有必要的.利用寬譜光源作為輸入光源,模擬大氣回波信號中的轉動拉曼光譜,通過法蘭盤直接耦合到光纖陣列的輸入纖,依次測試各出射光纖通道的輸出光譜,結合輸入光譜條件分析其光譜特性.圖7給出了第1根光纖通道(n=1)及第4,6,7,9,11和12根所對應接收到的輸出光譜,即對應轉動量子數J=6,10,12,16,20,22的轉動拉曼光譜,黑色粗實線為原始數據,藍色細實線是對寬帶光源光譜歸一化處理后的數據,紅色虛線為其高斯擬合曲線,紅色箭頭虛線表示彈性散射信號的理論光譜中心位置.

圖7表明,各出射光纖通道的輸出光譜與欲提取的轉動拉曼光譜逐次對應,相鄰譜線之間的波長差與理論值相當,符合度較高,具體數值關系參照表2,其中理論值為仿真計算所得各通道對應的中心波長位置,同時各通道可有效地抑制相鄰拉曼譜線間的相互串擾和光纖通道的帶外背景噪聲.由表2可知,第1根光纖(n=1)對應的實測中心波長為532.2185 nm,與彈性散射波長λ0的偏差較大,相對偏差為0.1185 nm,此種現象是光纖陣列的均勻排列結構所致,因為如圖5中紅色下三角所示,入射角條件為18.606°時,第2根入射纖與彈性散射波長λ0對應衍射位置的理論間距約為94.15μm,對應波長差為0.3380 nm,并非光纖間距125μm對應的波長差0.4490 nm,故實測波長偏長波方向;波長為532.2185 nm的光譜與轉動量子數J=6(對應光纖通道n=4)拉曼光譜的理論衍射位移差為378.11μm,其值與光纖陣列第1根與第4根光纖通道的線距離375.00μm相差3.11μm,對比光纖陣列各光纖通道的加工誤差±2μm可知,該實測數據的誤差在期望誤差范圍內,與理論值相符;其余實測中心波長與理論波長偏差的絕對值在0.0029—0.0398 nm之間,相對于相鄰偶轉動量子數轉動拉曼譜線的平均波長差0.4490 nm,其最大偏離度為γ=0.0398/0.4490=8.86%.

圖7 φ=18.606?時,部分光纖通道的輸出光譜Fig.7.The output spectrum of partial fi ber channel when φ =18.606?.

表2 部分光纖通道的通道系數及匹配一致性參數Table 2.The channel coefficient and matching consistency parameters of partial fi ber channel.

以第12根光纖通道作為參考基準,轉動拉曼通道系數η可表示為

式中,I0(J)和IR(J)分別表示與偶轉動量子數拉曼譜線波長相等的入射光譜強度和各光纖通道提取到的出射光譜強度,I′0為與J=22的轉動拉曼譜線波長相等的入射光譜強度,IR22為第12根(即J=22)光纖通道提取到的出射光譜強度.由(5)式計算出各轉動拉曼通道系數均在0.75以上,如表2所列.

4.2 彈性散射信號抑制率測試

由于彈性散射截面相對轉動拉曼散射要高3—4個數量級,欲精細提取出微弱的轉動拉曼信號,需要對強烈的彈性散射信號至少提供60 dB的抑制,其中光纖Bragg光柵作為二級分光核心器件具有35 dB的抑制效果[14],因此一級分光系統(tǒng)對彈性散射的抑制能力會直接影響兩級分光系統(tǒng)的整體光譜性能.為了分析出射光纖通道的帶外抑制率,構建如圖8所示的實驗測試系統(tǒng),利用耦合器FC對寬帶光源與半導體激光器(LD)的輸出光譜進行耦合,其中LD的輸出光譜強度高出寬帶光源至少3個量級,以模擬大氣回波信號,通過光譜儀直接測試FC輸出端1(OUT1)的輸出光譜,獲得一級分光系統(tǒng)的輸入光譜條件;將OUT1通過法蘭盤FP3耦合進光纖陣列的輸入纖(即第2根多模光纖),依次測試各路出射光纖通道的輸出光譜.整個實驗過程中,利用光功率計監(jiān)測耦合器輸出端2(OUT2)的輸出功率,保證OUT1的輸出條件恒定.

圖8 帶外抑制率測試方案Fig.8.The test scheme of out-of-band suppression.

圖9給出了第4,6,7,9,11和12路光纖通道的輸出光譜實測值(黑色細實線)及其擬合曲線(紅色虛線),并給出了一級分光系統(tǒng)的輸入光譜實測值(黑色粗實線)及其擬合曲線(藍色點劃線),以對比分析輸入光譜與輸出光譜間關系.

由圖9可看出,紅色虛線531.9 nm位置附近的相對強度峰值逐漸減小,此現象符合光纖傳輸的高斯特征分布.光纖通道的帶外抑制率(suppression)為各光纖通道對其帶外干擾噪聲的抑制能力,可表示為

圖9 部分光纖通道的輸入與輸出光譜(a)—(f)分別為轉動量子數J=6,10,12,16,20,22對應的光纖通道Fig.9.The input and output spectra of partial fi ber channel:(a)–(f)are the fi ber channel with rotational quantum number of J=6,10,12,16,20,22.

式中,n為光纖通道序號,II(n)和IO(n)分別是一級分光系統(tǒng)的輸入和輸出光譜強度,IIR(n)和IOR(n)分別表示與偶轉動量子數拉曼譜線波長相等的輸入光譜強度和輸出光譜強度.

根據(6)式可計算出各光纖通道的帶外抑制率,如圖10所示,陰影柱形表示對應轉動量子數J=6,10,12,16,20,22的轉動拉曼通道,對彈性散射信號的有效抑制分別為27.0,35.0,30.5,39.3,39.5和40.5 dB,可看出各通道的帶外抑制率較高,除n=4外,其他通道對彈性散射信號的抑制均高于30 dB,當級聯基于光纖Bragg光柵的二級分光系統(tǒng)后,各光纖通道至少可實現對彈性散射信號的有效抑制高達62 dB.無陰影柱形為其余系統(tǒng)方案不予以采用的光纖通道,故對其帶外抑制率不做分析.本系統(tǒng)由于提取單條轉動拉曼譜線,可有效濾除轉動拉曼通道的帶外背景噪聲,從而降低混入轉動拉曼信號的太陽背景光噪聲,可用來絕對探測白天的大氣溫度.

圖10 帶外抑制率測試結果Fig.10.The result of out-of-band suppression.

5 結 論

針對絕對測溫的轉動拉曼激光雷達系統(tǒng),仿真分析了一級分光系統(tǒng)的分光光路,獲得相鄰轉動拉曼譜線間的平均波長差約為0.4490 nm,各轉動拉曼譜線的最大離心伸縮量約為0.0031 nm,離心伸縮比為0.69%,經一階閃耀光柵作用后的平均衍射位移差約為125μm;設計了利用微米級光纖陣列作為級聯器件,一階閃耀光柵與光纖Bragg光柵組成的兩級并行多通道分光系統(tǒng);實驗測試得出一級分光系統(tǒng)各轉動拉曼通道的通道系數均在0.75以上,提取到轉動拉曼譜線的實測中心波長與理論值的最大偏差約為0.0398 nm,偏離度為8.86%,各光纖通道至少可提供對彈性散射信號27 dB的有效抑制,結合基于光纖Bragg光柵的二級分光系統(tǒng)可實現高達到62 dB的抑制效果,滿足精細提取單條轉動拉曼光譜的技術要求.因此,一階閃耀光柵級聯光纖Bragg光柵組成的兩級并行多通道分光系統(tǒng)為轉動拉曼激光雷達絕對探測大氣溫度提供了有效的方法論證與技術支撐,可為大氣溫度的高精度激光遙感探測提供新的探測手段和校正方法.

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