馬 暉,鄧 遷,劉 東,譚 敏,徐繼偉,謝晨波,王珍珠,王邦新,黃 見,王英儉*

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研究星載IPDA激光雷達(dá)探測CO2光譜純度

馬 暉1,2,鄧 遷1,2,劉 東1*,譚 敏1,2,徐繼偉1,2,謝晨波1,王珍珠1,王邦新1,黃 見1,王英儉1,2*

(1.中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所中國科學(xué)院大氣成分與光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院,安徽 合肥 230026)

光譜純度是積分路徑差分吸收激光雷達(dá)最重要的系統(tǒng)參數(shù)之一,光譜純度直接影響CO2數(shù)據(jù)的探測精度.在模式研究中要求輸入觀測的CO2數(shù)據(jù)誤差小于1′10-6,對激光器光譜純度參數(shù)設(shè)計(jì)提出很高要求.本文采用有效吸收截面分析探測反演誤差的方法,研究了由光譜純度帶來的CO2柱濃度探測誤差,并基于窄帶濾波器對光譜不純能量的抑制作用,對不同帶寬的窄帶濾波器進(jìn)行選擇和分析,從而達(dá)到降低對光譜純度的要求,提升探測精度的目的,最后討論了由于窄帶濾波器造成的能量衰減所對隨機(jī)誤差的影響.結(jié)果表明:當(dāng)光譜純度為99.9%,窄帶濾波器帶寬1GHz,透射率為0.86,脈沖能量為100mJ時(shí)CO2探測的系統(tǒng)誤差小于0.084′10-6,隨機(jī)誤差小于0.02′10-6,滿足探測精度要求.

激光雷達(dá)；光譜純度；IPDA；誤差分析

IPDA激光雷達(dá)探測方法決定了對脈沖品質(zhì)的精細(xì)要求,脈沖能量光譜純度是激光器的關(guān)鍵參數(shù).脈沖能量光譜不純部分能量是探測過程中主要誤差源之一,而由于激光器光譜純度測量相對困難,為了減少光譜純度的影響對激光器參數(shù)和窄帶濾波器提出了嚴(yán)格要求[5-6].本文通過研究脈沖能量光譜純度對探測結(jié)果的影響,首先闡述IPDA激光雷達(dá)探測原理,給出激光器出射能量線型及光譜不純能量線型,然后分析和討論了隨光譜純度變化對探測系統(tǒng)誤差造成的影響,并基于窄帶濾波器對光譜純度以外的噪聲能量的抑制作用,隨后對不同帶寬的窄帶濾波器進(jìn)行選擇和分析,從而提高探測精度,降低對激光器光譜純度參數(shù)要求.最后討論了在IPDA激光雷達(dá)應(yīng)用中采用的窄帶濾波器透過率所帶來的隨機(jī)誤差.

1 IPDA探測原理

星載IPDA激光雷達(dá)向天底發(fā)射兩束波長接近的脈沖,脈沖經(jīng)大氣傳輸和地表反射被探測器接收,通過比較兩束脈沖衰減后回波能量的差異反演得到整層大氣柱上目標(biāo)氣體含量.其中脈沖靠近目標(biāo)氣體吸收峰,被目標(biāo)氣體強(qiáng)烈吸收的波長稱為強(qiáng)吸收線,記為.另一束波長位于目標(biāo)氣體的吸收翼,目標(biāo)氣體在該處波長上的吸收弱,稱為弱吸收線,作為探測參考能量,記為.通過適當(dāng)選取強(qiáng)弱吸收線,可以有效減少其他大氣成分消光以及地表反照率變化等因素帶來的影響[7].IPDA激光雷達(dá)方程為[8]

根據(jù)(1)和(2)式以及流體靜力學(xué)方程和理想氣體狀態(tài)方程,可以得到

式中:DAOD為兩個(gè)脈沖波長的差分光學(xué)厚度.分母中WF()為CO2權(quán)重函數(shù),代表探測波長對不同高度上CO2含量吸收能力的權(quán)重分布.CO2為整層大氣中體現(xiàn)不同高度上CO2權(quán)重分布的干空氣柱混合率.

表1 星載IPDA激光雷達(dá)仿真參數(shù)

圖1 CO2和H2O的光學(xué)厚度

2 脈沖能量線型

激光器出射脈沖能量在波數(shù)域上存在展寬.理論上經(jīng)激光器振蕩放大后出射能量應(yīng)為單色光,實(shí)際上在種子注入諧振腔以及增益放大過程中,放大介質(zhì)的自發(fā)輻射等變化會(huì)產(chǎn)生其他縱模,導(dǎo)致能量在波數(shù)域上展寬.理論計(jì)算中脈沖能量線型L(v)使用洛倫茲線型公式描述脈沖能量[13]

圖2 激光脈沖能量密度線型

Fig.2 Energy density line shape of laser

實(shí)際從激光器出射的脈沖能量中,還疊加有振蕩器中產(chǎn)生的寬帶能量噪聲.使用光譜純度用以描述激光器出射脈沖能量的成分和比例,定義為有效輸出能量與總輸出能量之比[15].有效輸出能量為脈沖能量中距離能量密度中心頻率較近,目標(biāo)氣體對其吸收性質(zhì)偏差不大的那部分能量.有效輸出能量范圍外幾乎不被目標(biāo)氣體吸收能量占總能量的比例稱為光譜不純.光譜不純能量主要由振蕩器中增益的自發(fā)輻射能量ASE產(chǎn)生,受激光器增益曲線影響,集中在脈沖能量中心,帶寬可以達(dá)到幾個(gè)到幾十個(gè)GHz[16].

光譜不純能量線型L(v)可以使用洛倫茲線型表示

式中:為光譜純度.目前激光器所產(chǎn)生的光譜純度可以達(dá)到99.9%.

3 分析與討論

3.1 光譜純度系統(tǒng)誤差分析

由(3)式可知,IPDA激光雷達(dá)通過比較2個(gè)波長上回波能量可以得到傳輸路徑上CO2柱含量,因此探測結(jié)果直接受2個(gè)波長上相對能量變化的影響.強(qiáng)吸收線脈沖能量在大氣傳輸過程中由于目標(biāo)氣體的吸收作用而發(fā)生衰減,由(1)式可知當(dāng)光學(xué)厚度為1時(shí),強(qiáng)吸收線脈沖能量在大氣傳輸過程中由吸收所產(chǎn)生的衰減達(dá)到86%.而強(qiáng)吸收線上脈沖光譜不純能量幾乎不被目標(biāo)氣體吸收衰減,這部分能量經(jīng)過地表反射后被探測器接收,導(dǎo)致接收的強(qiáng)吸收線回波能量比理想脈沖高,造成顯著的系統(tǒng)誤差.弱吸收線吸收目標(biāo)氣體吸收能力弱,接收的弱吸收線回波能量不會(huì)因脈沖光譜純度而產(chǎn)生明顯變化,因此弱吸收線上光譜純度影響可以忽略.由此可以得到2個(gè)波長上回波能量之間的關(guān)系如下式所示[17]

由(3)和(9)式可知,光譜純度誤差可以寫為

圖3 光譜純度產(chǎn)生的CO2柱濃度誤差

Fig.3 CO2column ratio error caused by spectral purity.

3.2 窄帶濾波器透過率線型

由于光譜不純會(huì)產(chǎn)生較大的探測誤差,這不僅對激光器參數(shù)提出嚴(yán)格要求,并且限制了探測精度.采用窄帶濾波器可以有效減少光譜不純影響.本文以法布里-珀羅窄帶濾波器為基礎(chǔ),研究了在脈沖能量出射端或探測器接收端采用窄帶濾波器抑制光譜不純能量,提升探測精度,降低對激光器光譜純度的要求.窄帶濾波器透射率函數(shù)為[18].

對于理想正入射窄帶濾波器,損耗吸收為0,(11)式可以化為

表2 所選窄帶濾波器參數(shù)

圖4 不同F(xiàn)WHM的窄帶濾波器透射率廓線

由光譜純度帶來的系統(tǒng)誤差要求不高于0.084′10-6[19].窄帶濾波器對光譜不純部分能量的抑制效果如圖5(a)和(b)所示,通過降低有效輸出能量外的噪聲能量,提升光譜純度,進(jìn)而降低探測誤差.不同窄帶濾波器帶寬對不同F(xiàn)WHM的光譜不純能量如圖5(c)和(d)所示,FWHM越小的光譜不純廓線峰值能量越高,能量廓線越集中于中心波長上;采用窄帶濾波器可以減低距離中心波長較遠(yuǎn)的能量,將光譜不純能量抑制到脈沖中心附近. FWHM為9GHz及以上的光譜不純廓線,選用1GHz窄帶濾波器可以降低光譜純度要求至99.9%.光譜純度誤差與窄帶濾波器之間關(guān)系如表3所示.光譜純度誤差與光譜純度和窄帶濾波器帶寬之間關(guān)系如表3所示.

圖5 光譜純度誤差與光譜純度和窄帶濾波器帶寬之間關(guān)系

圖中:圖(a)為FWHM為1GHz光譜不純能量(虛線)經(jīng)1GHz窄帶濾波器過濾后能量線型(實(shí)線);圖(b)為FWHM為9GHz光譜不純能量(虛線)經(jīng)1GHz窄帶濾波器過濾后能量線型(實(shí)線);不同F(xiàn)WHM窄帶濾波器下系統(tǒng)誤差隨光譜純度變化;圖(c)為對于不同帶寬的窄帶濾波器,誤差隨FWHM為1GHz光譜不純變化;圖(d)為對于不同帶寬的窄帶濾波器,誤差隨FWHM為9GHz光譜不純變化.

表3 光譜純度誤差與光譜純度和窄帶濾波器帶寬之間的關(guān)系

3.3 隨機(jī)誤差分析

由于實(shí)際應(yīng)用中窄帶濾波器對能量造成損耗和衰減,減少最后進(jìn)入探測器的能量,增加隨機(jī)誤差.相對隨機(jī)誤差RRE如下式所示[3,9]

式中:XCO2為探測中由信號噪聲,背景噪聲及探測器噪聲等產(chǎn)生的反演隨機(jī)誤差.SNR為系統(tǒng)信噪比;為探測脈沖數(shù).其中,

圖6 1GHz和6GHz帶寬的窄帶濾波器隨機(jī)誤差差異

圖7 RRE和脈沖能量以及透射率之間的關(guān)系

4 結(jié)論

IPDA激光雷達(dá)可以獲得高精度,高時(shí)空分辨率,全球覆蓋的CO2柱含量數(shù)據(jù).其探測精度受光譜純度影響顯著,在探測系統(tǒng)誤差分析和參數(shù)論證研究中對激光器參數(shù)提出嚴(yán)格的要求.通過本文對光譜純度的研究,在已有研究基礎(chǔ)上對光譜純度參數(shù)的誤差影響進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論和改進(jìn):

4.1 采用窄帶濾波器可以有效抑制光譜不純能量,為使由光譜純度所造成的系統(tǒng)誤差不大于0.084′10-6.

4.2 通過使用帶寬為1、3和6GHz的窄帶濾波器,系統(tǒng)對光譜純度的要求分別為99.9%,99.97和99.98%,由此可以降低系統(tǒng)對激光器光譜純度參數(shù)的要求,提升探測精度.

4.3 當(dāng)光譜純度為99.9%,窄帶濾波器帶寬1GHz,窄帶濾波器透射率為0.86,激光器出射能量為100mJ時(shí)探測得到的系統(tǒng)誤差小于0.084′10-6,隨機(jī)誤差小于0.02′10-6,滿足星載IPDA激光雷達(dá)對CO2探測精度的要求.

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致謝：感謝中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所饒瑞中研究員和魏合理研究員的意見和建議.

Spectral purity study of CO2measurement with space-borne IPDA lidar.

MA Hui1,2, DENG Qian1,2, LIU Dong1*, TAN Min1,2, XU Ji-wei1,2, XIE Chen-Bo1,WANG Zhen-Zhu1, WANG Bang-Xin1, HUANG Jian1,WANG Ying-Jian1,2*

(1.Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Science, Hefei 230031, China；2.University of Science and Technology of China Science Island Branch of Graduate School, Hefei 230026)., 2018,38(11)：4010~4016

A high sensitivity and global coverage of carbon dioxide (CO2) observation are expected to be designed as the next generation measurement by space-borne integrated path differential absorption (IPDA) lidar. Strict spatial CO2data, such as 1′10-6or better accuracy, are needed to solve the most scientific problems of carbon cycle. Spectral purity, that is, the ratio of effective absorption energy to total transmission energy, is one of the most important parameters of IPDA lidar. It directly affects the accuracy of CO2measurements. Due to the comparison of the average dry air mixing ratio from the two echo pulse signals, the laser output usually accompanied by an unexpected spectral broadband background radiation will produce significant systematic errors. In this study, the shape of the spectral energy density line and the shape of the spectral impurity line are modeled as the shape of the Lorenz line for simulation, and the off-line is assumed to be a CO2reference that is not absorbed. Based on the IPDA detection theory, the error equations for calculating the systematic errors caused by spectral impurities are derived. For spectral purity of 99%, the induction error can reach 8.97′10-6. A narrow band filter can be used to achieve significant relaxation. The narrow band filter blocks a large amount of impurity radiation transmitted outside a certain spectral interval, ensures that the return radiation focuses on the target operating wave number and reduces the error caused by the inadequately caused. The experimental results show that for a given spectral purity, the error can be suppressed by smaller FWHM of spectral impurity and bandwidth of narrow-band filter. The results reveal that an error of 0.084′10-6of the retrieved CO2column ratio is derived from the influence of spectral impurity with the spectral purity of 99.9% and spectral impurity of 9GHz in conjunction with a narrow-band spectral filter of 1GHz FWHM and transmittance of 0.86. In addition, random error less than 0.02′10-6is caused by the attenuation of narrow-band filter with the laser energy of 100mJ.

lidar；spectral purity；IPDA；error analysis

X511

A

1000-6923(2018)11-4010-07

馬 暉(1989-),男,吉林梅河口人,博士,主要從事激光雷達(dá)與大氣環(huán)境監(jiān)測方面的研究.發(fā)表論文6篇.

2018-03-26

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB955802);國家自然科學(xué)基金(41505019)

* 責(zé)任作者, 劉東，研究員，dliu@aiofm.cas.cn；王英儉，研究員，yjwang@aiofm.cas.cn