激光外差光譜儀模擬風(fēng)場(chǎng)探測(cè)*

李竣 薛正躍 劉笑海 王晶晶 王貴師 劉錕 高曉明? 談圖?

1) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,合肥 230031)

2) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,基礎(chǔ)科學(xué)研究中心,合肥 230031)

中高層大氣風(fēng)場(chǎng)是表征中高層大氣環(huán)境的重要參量,對(duì)中高層大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)在民用和軍用領(lǐng)域有著重要意義.激光外差光譜技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展的一種高光譜分辨率和靈敏度的被動(dòng)式遙感探測(cè)技術(shù),以激光外差光譜技術(shù)為核心研制的激光外差光譜儀因具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn),在星載測(cè)量中高層風(fēng)場(chǎng)領(lǐng)域有巨大的潛力和應(yīng)用前景.激光外差光譜儀的地面風(fēng)場(chǎng)探測(cè)性能驗(yàn)證是其應(yīng)用到衛(wèi)星上的關(guān)鍵環(huán)節(jié),本文利用實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下建立的風(fēng)場(chǎng)模擬裝置實(shí)現(xiàn)0—25 m/s 的風(fēng)速變化,并基于光譜分辨率為0.003 cm—1激光外差光譜儀分別測(cè)量了無(wú)風(fēng)速變化和不同風(fēng)速下的CH4 吸收譜,測(cè)量風(fēng)速的分辨率為3 m/s.使用光纖F-P 干涉儀、波長(zhǎng)計(jì)和參考池對(duì)激光器輸出光頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)的相對(duì)定標(biāo)和絕對(duì)定標(biāo).通過計(jì)算吸收光譜中心頻率的偏移量,反演得到風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速,并與風(fēng)場(chǎng)模擬器風(fēng)速對(duì)比,相對(duì)誤差為1.49 m/s.該實(shí)驗(yàn)對(duì)激光外差光譜儀測(cè)風(fēng)性能進(jìn)行有效驗(yàn)證,證明了使用激光外差光譜儀進(jìn)行中高層大氣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量的可能性.

1 引言

中高層大氣風(fēng)場(chǎng)是表征中高層大氣環(huán)境的重要參量,對(duì)于中高層大氣及上下層之間能量和動(dòng)量的輸運(yùn)與大氣成分的傳輸都起著巨大作用.研究中高層大氣風(fēng)場(chǎng)一方面可以增進(jìn)高空大氣動(dòng)力學(xué)過程認(rèn)知、改善全球高空風(fēng)場(chǎng)模型、提升大氣、空間研究能力,另一方面通過測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向變化為航天活動(dòng)提供安全保障服務(wù).大氣風(fēng)場(chǎng)的研究還可以提高空間氣象預(yù)報(bào)能力、改善全球氣候預(yù)報(bào)能力[1-3].對(duì)于中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)技術(shù)而言,被動(dòng)探測(cè)技術(shù)可利用高層大氣中存在的氣輝、極光等輻射源獲取風(fēng)速信息,實(shí)現(xiàn)全天風(fēng)速測(cè)量.目前,成熟的星載被動(dòng)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)主要基于干涉測(cè)量法,使用Michelson和Fabry-Perot 兩種干涉儀,通過接收大氣中具有一定多普勒頻移的自然光源發(fā)出的光信號(hào),將其轉(zhuǎn)化為干涉條紋的變化,從而反演中高層大氣風(fēng)場(chǎng)參數(shù).Fabry-Perot 干涉測(cè)量技術(shù)具有高測(cè)量精度和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),但是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)具制作平整度要求極高,且光通量小、體積大.而Michelson 干涉測(cè)量技術(shù)采用擴(kuò)視場(chǎng)技術(shù)增加系統(tǒng)的光通量,體積小,但是存在干涉圖采樣點(diǎn)數(shù)少(四個(gè)相位點(diǎn))、儀器漂移不能被實(shí)時(shí)跟蹤等問題.除此之外,動(dòng)鏡的高精度控制也成為Michelson 干涉儀應(yīng)用于星載探測(cè)的限制因素之一[4-9].這些缺點(diǎn)導(dǎo)致兩種干涉儀應(yīng)用到衛(wèi)星平臺(tái)上較為困難,想要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)中高層大氣風(fēng)場(chǎng)的監(jiān)測(cè),則需要其他測(cè)量方法和儀器加以補(bǔ)充.

激光外差光譜技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種高光譜分辨和靈敏度的被動(dòng)式遙感探測(cè)技術(shù),以激光外差光譜技術(shù)為核心的激光外差光譜儀具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)[10-19],在星載測(cè)風(fēng)領(lǐng)域有巨大的潛力和應(yīng)用前景.20 世紀(jì)70 年代美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Townes 最早將激光外差光譜技術(shù)應(yīng)用到行星風(fēng)探測(cè).1991 年美國(guó)NASA 以火星大氣層100—120 km 高度上CO2中紅外波段熱輻射作為信號(hào)光源,使用紅外外差光譜儀結(jié)合麥克馬斯太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡獲取了火星熱層的絕對(duì)風(fēng)速[20].2007 年德國(guó)科隆大學(xué)使用中紅外波段可調(diào)諧CO2激光器作為本振光源,以望遠(yuǎn)鏡收集金星大氣層CO2輻射光作為信號(hào)光,結(jié)合聲光分析儀,對(duì)火星赤道風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量[21].若想實(shí)現(xiàn)激光外差光譜儀對(duì)地球中高層大氣風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量,則需要星載儀器在臨邊探測(cè)模式下,通過測(cè)量中高層大氣的氣體輝光或極光譜線的頻移,反演得到風(fēng)場(chǎng)信息.發(fā)展星載激光外差光譜測(cè)風(fēng)儀的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是激光外差光譜儀地面風(fēng)場(chǎng)探測(cè)性能驗(yàn)證.本文利用實(shí)驗(yàn)室搭建的模擬風(fēng)場(chǎng)裝置,開展在不同風(fēng)速條件下的模擬風(fēng)場(chǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn),通過計(jì)算激光外差光譜儀測(cè)量的目標(biāo)譜線的相對(duì)頻移量,反演得到風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速信息.此地面實(shí)驗(yàn)對(duì)激光外差光譜儀的測(cè)風(fēng)性能進(jìn)行了有效評(píng)估,驗(yàn)證了激光外差光譜儀測(cè)量大氣風(fēng)場(chǎng)的可行性.

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 風(fēng)場(chǎng)模擬原理

中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)一般以氣體輝光或極光譜線作為信號(hào)光源.在地面進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí),由于背景大氣的散射光掩蓋和對(duì)流層O2分子氣體吸收作用,O2輝光不可直接作為信號(hào)光源[22].超連續(xù)譜光源具有寬光譜范圍和易于準(zhǔn)直等特點(diǎn),是模擬風(fēng)場(chǎng)探測(cè)時(shí)的理想信號(hào)光源.當(dāng)環(huán)境中存在風(fēng)場(chǎng)時(shí),信號(hào)光源發(fā)出的譜線中心頻率會(huì)發(fā)生頻移[23].風(fēng)場(chǎng)模擬正是基于這一原理,利用高速電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng)形成一定速度來(lái)模擬大氣環(huán)境中的風(fēng)速,圖1 為風(fēng)速模擬原理圖.模擬光源經(jīng)過充滿目標(biāo)氣體的吸收池后攜帶目標(biāo)氣體的吸收譜,吸收譜中心頻率為ν0,再垂直入射到轉(zhuǎn)盤豎直方向點(diǎn)A上.轉(zhuǎn)盤以轉(zhuǎn)速Ns勻速轉(zhuǎn)動(dòng),返回光束速度Vre可表示為

圖1 風(fēng)速模擬原理圖Fig.1.Schematic diagram of wind speed simulation.

其中,r為A點(diǎn)距轉(zhuǎn)盤中心點(diǎn)的距離,v0為A點(diǎn)的線速度,α表示光束與反射盤之間的夾角.返回光束攜帶的吸收譜頻率ν0發(fā)生偏移,偏移量為 Δν:

其中,c為光速.使用斬波器轉(zhuǎn)盤模擬風(fēng)速變化,斬波器控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)斬波器轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速在0—80 r/s范圍內(nèi)的精確控制,并且商業(yè)斬波器自身結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,在較大轉(zhuǎn)速下仍能保持整個(gè)光路的穩(wěn)定性以及模擬風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速的精確性.

2.2 激光外差原理

激光外差探測(cè)原理在文獻(xiàn)[24-27]中已有詳細(xì)描述,假設(shè)探測(cè)器上接收到的本振光和信號(hào)光振幅分別為ALO和AS,相位分別為φLO和φS,即

信號(hào)光與本振光在光電探測(cè)器光敏面上進(jìn)行光混頻,由于光電探測(cè)器的平方律特性以及帶寬限制,光電探測(cè)器輸出電流i可表示為

其中,η為探測(cè)器的量子效率,ΔφφLO-φS為兩束光相位差,輸出光電流包含本振光和信號(hào)光的直流部分和差頻信號(hào)部分.經(jīng)過T 型偏置器后,直流部分被濾除.差頻信號(hào)即為外差信號(hào),可表示為

外差信號(hào)功率可利用射頻功率檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè),在實(shí)際探測(cè)中,信號(hào)平均時(shí)間遠(yuǎn)大于外差信號(hào)的周期,因此其輸出功率正比于差頻電流的平方:

由(6)式可以得到,外差信號(hào)功率正比于本振光功率和信號(hào)光功率的乘積,攜帶氣體吸收信息的信號(hào)光可以通過本振光進(jìn)行放大,實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)探測(cè).通過改變激光器泵浦電流,使激光器輸出光頻率ωLO覆蓋目標(biāo)氣體的特征吸收譜線對(duì)應(yīng)的頻率范圍.對(duì)不同頻率激光與信號(hào)光拍頻得到的外差信號(hào)進(jìn)行歸一化并進(jìn)行擬合,獲得吸收譜線的中心頻率,計(jì)算吸收譜線相對(duì)頻移量從而反演得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)速信息.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖和實(shí)物圖如圖2(a)和圖2(b)所示,線寬為2 MHz 的分布反饋式激光器DL 作為本振光源,通過激光控制器對(duì)激光器進(jìn)行控制,激光器輸出波長(zhǎng)為1651 nm (6056.935 cm—1),最大輸出功率達(dá)20 mW,在溫度為293.6 K 的條件下,泵浦電流在60—100 mA 范圍內(nèi)變化,激光器輸出范圍為6056.342—6057.334 cm—1.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖與實(shí)物圖.SC-5,超連續(xù)譜光源;PD,光電探測(cè)器;FC,光纖耦合器;IC,輸入準(zhǔn)直器;OC,輸出準(zhǔn)直器;Bias-T,T 型偏置器;OA,前置放大器;BF-Filter,帶通濾波器;LIA,鎖相放大器;DL,分布反饋式激光器;Chopper,斬波器;Schottky Diode,肖特基二極管Fig.2.Schematic diagram and physical diagram of the experimental device.SC-5,supercontinuum light source;PD,photodetector;FC,fiber coupler,IC,input collimator;OC,output collimator;Bias-T,T-type bias;OA,preamplifier;BF-Filter,band-pass filter;LIA,lock-in amplifier;DL,distributed feedback laser.

輸出激光通過10∶90 的光纖分束器FC1 分成兩路,10%的光進(jìn)入光纖F-P 干涉儀,90%的光耦合到20∶80 的FC2 光纖分束器.耦合到FCC 分束器的光20%進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ赖?0∶50 分束比例的FC3光纖分束器,分別進(jìn)入到參考吸收池和波長(zhǎng)計(jì),進(jìn)入到參考吸收池的一路用于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)參考吸收池內(nèi)的直接吸收信號(hào),以確定不存在風(fēng)場(chǎng)時(shí)CH4吸收譜的中心頻率,進(jìn)入到波長(zhǎng)計(jì)的一路用于波長(zhǎng)計(jì)定標(biāo).耦合到FC2 分束器的光80%耦合到FC4 合束器,與攜帶待測(cè)風(fēng)速信息的超連續(xù)譜光在合束器FC4 內(nèi)進(jìn)行共線傳輸,進(jìn)入到探測(cè)器PD3 進(jìn)行拍頻探測(cè).

超連續(xù)譜光源(SC-5,安揚(yáng)激光,輸出光光譜范圍為470—2400 nm)作為信號(hào)光源,出射光經(jīng)過斬波器調(diào)制,通過充滿純甲烷的吸收池、拋物鏡中心小孔然后入射到表面貼有逆反射膜的風(fēng)速模擬器上,風(fēng)速模擬器與光路夾角為45°.風(fēng)速模擬器轉(zhuǎn)盤直徑為140 mm,最大轉(zhuǎn)速為100 r/s,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)0—25 m/s 的風(fēng)場(chǎng)變化.信號(hào)光攜帶的吸收譜經(jīng)過勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤獲得穩(wěn)定頻移,在逆反射膜上反射,沿原光路返回拋物鏡表面,光路轉(zhuǎn)折90°.由聚焦透鏡(f=25.4 mm)將信號(hào)光耦合進(jìn)單模光纖,信號(hào)光與本振光由光纖耦合器FC4 合束,在光電探測(cè)器PD3 進(jìn)行拍頻.

光電探測(cè)器PD3 產(chǎn)生的拍頻信號(hào)經(jīng)射頻電路單元處理.射頻電路單元主要由T 型偏置器(Bias-T)、多級(jí)放大器(OA)、帶通濾波器(BP filter)和檢波器(Schottky Diode)組成.帶通濾波器的帶寬決定了激光外差系統(tǒng)光譜分辨率,激光信號(hào)、背景信號(hào)和外差信號(hào)的功率譜如圖3 所示.由于激光器驅(qū)動(dòng)電路的干擾,激光信號(hào)功率譜在0—100 MHz存在大量噪聲,400—600 MHz 區(qū)域內(nèi)的噪聲由放大器與檢波器等射頻器件導(dǎo)致,外差檢測(cè)時(shí)需要避開這些區(qū)域.在保證外差信號(hào)信噪比的條件下,選擇帶通濾波器范圍為225—270 MHz,由此帶來(lái)雙邊帶光譜分辨率為90 MHz (0.003 cm—1),此時(shí)激光外差光譜儀測(cè)風(fēng)的分辨率為3 m/s.濾波后處于射頻域的信號(hào)經(jīng)檢波器轉(zhuǎn)化為直流信號(hào),并由鎖相放大器解調(diào),鎖相參考頻率780 Hz,積分時(shí)間1 s.

圖3 信號(hào)功率譜Fig.3.signal power spectrum.

為實(shí)現(xiàn)激光頻率的準(zhǔn)確測(cè)量和矯正,采用光程差為20 cm,自由色散范圍為D*=0.01167 cm—1的光纖F-P 干涉儀(Interference fiber)和波長(zhǎng)計(jì)(Bristol instrumnets,621)對(duì)輸出激光實(shí)時(shí)定標(biāo).兩束相同頻率的激光在光纖中傳播,經(jīng)過光纖FP 干涉儀內(nèi)的兩根不同光纖產(chǎn)生光程差,合束后入射到光電探測(cè)器PD1表面獲得干涉信號(hào).測(cè)量激光經(jīng)過吸收池后的直接吸收光譜,確定CH4的中心線位置,并結(jié)合干涉信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)輸出激光頻率進(jìn)行相對(duì)定標(biāo)和絕對(duì)定標(biāo)[26].通過干涉光纖信號(hào)的時(shí)間掃描如圖4(a)所示,相鄰信號(hào)最大值之間的頻譜距離對(duì)應(yīng)于干涉光纖的自由色散范圍.圖4(b)在控制溫度為293.6 K 條件下,泵浦電流由60 mA變化至100 mA 波長(zhǎng)計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量的激光器輸出光頻率.

圖4 輸出光波長(zhǎng)標(biāo)定 (a)經(jīng)過參考池后PD2 探測(cè)得到的直接吸收信號(hào)(紅色實(shí)線),經(jīng)過干涉光纖后的信號(hào)(藍(lán)色實(shí)線);(b)波長(zhǎng)計(jì)實(shí)時(shí)定標(biāo)Fig.4.Laser wavelength calibration:(a) Absorption signal(red dotted line) detected by PD2 after passing through the reference cell,and the signal after passing through the interference fiber (black solid line);(b) real-time calibration of the wavemeter.

外差信號(hào)由上述的激光外差系統(tǒng)進(jìn)行電流逐點(diǎn)步進(jìn)掃描獲得,如圖5(a)所示.實(shí)驗(yàn)中掃描電流間隔為0.2 mA,采集一組CH4吸收光譜,時(shí)間為300 s.圖5(a)中將掃描電流轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)標(biāo)定波長(zhǎng),對(duì)鎖相放大器解調(diào)得到的外差信號(hào)不含吸收的部分做線性擬合,計(jì)算出基線,再做歸一化處理得到吸收譜線信號(hào),表現(xiàn)為透過率譜,如圖5(b)所示.吸收譜線的中心頻率偏移量間接反映了風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速,當(dāng)風(fēng)速模擬器轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速n=15 r/s,入射點(diǎn)距轉(zhuǎn)盤中心r=37 mm 時(shí),模擬風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速為5 m/s,此時(shí)CH4氣體吸收光譜的中心頻率頻移量為0.0002 cm—1.圖5(c)為不同轉(zhuǎn)速條件下歸一化的CH4吸收譜.

圖5 (a) 逐點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)圖;(b) 無(wú)風(fēng)場(chǎng)時(shí)吸收譜和存在風(fēng)場(chǎng)時(shí)吸收譜Fig.5.(a) Point-by-point scanning data chart;(b) absorption spectrum without wind field and absorption spectrum with wind field;(c) normalized absorption spectrum of CH4 under different speed conditions.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別設(shè)置風(fēng)場(chǎng)模擬器轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為0,15,30,45,60,75 r/s,模擬風(fēng)速采用(1)式計(jì)算獲取,對(duì)應(yīng)模擬風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速分別為0,5,10,15,20,25 m/s.圖6(a)為在不同風(fēng)速下對(duì)激光外差光譜儀測(cè)量得到的CH4吸收光譜的擬合.將測(cè)量得到的中心頻率的頻移量代入(2)式計(jì)算,得到對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下實(shí)際測(cè)量得到的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速.圖6(b)為模擬風(fēng)速和測(cè)量風(fēng)速隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系圖以及兩者的誤差.可以看出,在低的風(fēng)速條件下,由于低風(fēng)速引起的譜線多普勒頻移量小,擬合引入的誤差較大.當(dāng)風(fēng)場(chǎng)模擬器轉(zhuǎn)盤高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定,模擬風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速變大,吸收譜線的中心頻移量大,此時(shí)反演誤差相對(duì)較小,整體測(cè)量的相對(duì)誤差為1.49 m/s.

圖6 (a) 擬合吸收譜;(b) 測(cè)量結(jié)果Fig.6.(a) Fitted absorption spectrum;(b) inversion result.

5 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下建立了一套穩(wěn)定且風(fēng)速、風(fēng)向可控的模擬實(shí)驗(yàn)裝置,風(fēng)速在0— 25 m/s 范圍內(nèi)可調(diào).利用光譜分辨率為0.003 cm—1的激光外差光譜儀測(cè)量超連續(xù)譜光源照射在風(fēng)速模擬器后發(fā)生多普勒頻移的CH4吸收譜,使用光纖式F-P 干涉儀、參考池和波長(zhǎng)計(jì)對(duì)激光器頻率進(jìn)行定標(biāo),測(cè)得了間隔5 m/s 的風(fēng)速變化的多普勒激光外差光譜,相對(duì)誤差為1.49 m/s.實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了激光外差光譜儀測(cè)量風(fēng)速的可行性,為進(jìn)一步開展激光外差光譜測(cè)量高層大氣風(fēng)場(chǎng)及發(fā)展星載激光外差測(cè)風(fēng)光譜儀奠定了基礎(chǔ).