激光穩(wěn)頻技術在大氣探測激光雷達中的應用研究進展

黃 聰，張圣梓，王 將，常建華

(1. 南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2. 中國計量科學研究院，北京 100029)

1 引 言

目前，國內外研究者對于激光雷達的研究已有多年的積累。隨著激光技術的不斷發(fā)展，激光雷達在大氣科學、物理學、生物學、環(huán)境監(jiān)測與保護、軍事等眾多領域有著廣泛的應用[1～4]。起初，激光雷達被用來測距，接著逐漸被用于制導及跟蹤。隨著氣候環(huán)境問題日益突出，大氣探測激光雷達問世，其具有時空分辨率高、探測精度高的特點，為測量大氣中氣溶膠、氣體組分、溫度和風速等參數提供了可靠的技術支持。在大氣探測激光雷達中，多普勒測風激光雷達[5,6]能夠根據多普勒頻移反演計算出徑向風速，其探測方式有直接探測與外差探測兩種方式[7,8]，前者檢測回波信號與出射信號的相對能量變化，后者檢測回波信號與出射信號的差頻信號。

由多普勒測風原理可知,激光的頻率漂移會對大氣風場參數的測量產生影響[9,10]。差分吸收激光雷達(DIAL)向大氣中發(fā)射兩束波長相近的激光束，其中一束對應待測氣體的吸收峰，另一束對應吸收谷，利用回波信號的強度差異可以反演出待測氣體濃度，而回波信號的強度與激光發(fā)射波長密切相關，若對應強吸收峰處的激光波長發(fā)生偏移會導致回波信號的強度發(fā)生巨大變化，因而反演出的氣體濃度會出現較大偏差[11,12]。高光譜分辨率激光雷達(HSRL)根據大氣分子和氣溶膠的后向散射光譜線的不同，利用濾光器實現這兩種信號的分離，進而實現對氣溶膠的反演，同時可以利用因大氣分子的熱運動所造成的多普勒加寬與溫度的關系進行溫度測量。由高光譜分辨激光雷達探測原理可知，必須保證所使用的濾光器與發(fā)射激光的頻率保持匹配狀態(tài)，否則將影響溫度的測量精度。由此可見，想要對大氣參數進行高精度測量與反演，必須使用激光穩(wěn)頻技術來提高激光雷達光源的長期、短期頻率穩(wěn)定性[13～15]。

2 大氣探測激光雷達穩(wěn)頻原理

隨著激光技術的不斷發(fā)展，大氣激光雷達的應用研究愈加豐富，若想要更精確地探測大氣參數，對系統(tǒng)光源的頻率穩(wěn)定性就有著更嚴苛的要求。在研究激光穩(wěn)頻的初期，被動穩(wěn)頻技術[16]被提出，該技術在原有系統(tǒng)上采用恒溫控流、防震隔聲等手段來實現激光穩(wěn)頻，但其穩(wěn)頻精度低，頻率穩(wěn)定度約為10-7，這顯然不能滿足如今高精度探測的需求?，F今，主動穩(wěn)頻技術[17～20]已日趨成熟，利用該技術穩(wěn)頻后的光源抗干擾能力更強，并有著更高的穩(wěn)頻精度，頻率穩(wěn)定度約10-12～10-17。主動穩(wěn)頻技術通常會選擇一個穩(wěn)定的頻率參考，當待鎖定的激光頻率偏離該參考時，通過鑒頻手段產生誤差信號并將其輸入到伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)輸出控制信號來控制激光器，從而使激光頻率調整到頻率參考上，完成系統(tǒng)光源的穩(wěn)頻。

目前很多大氣探測激光雷達采用種子注入技術[21～23]將連續(xù)、小功率、性能優(yōu)良的光信號注入到脈沖激光器中進行放大，來獲得大氣探測所需的高質量、窄線寬、高功率的激光脈沖[24]。通過對氣體吸收池的精確控溫或光學諧振腔腔長的精準控制來鎖定脈沖激光器的發(fā)射波長，從而提高大氣參數測量結果的精度與準確性，因此保證種子激光器穩(wěn)定的重要性不言而喻。圖1為大氣探測激光雷達穩(wěn)頻示意圖。

圖1 大氣探測激光雷達穩(wěn)頻示意圖Fig.1 Schematic diagram of frequency stabilization of atmospheric detection lidar

3 激光雷達光源穩(wěn)頻技術

目前，應用于大氣探測激光雷達中的穩(wěn)頻技術有：頻率調制光譜穩(wěn)頻技術(FMS)、相位調制光外差穩(wěn)頻技術(PDH)、基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術、偏頻鎖定技術。這些穩(wěn)頻方法通常需要用到光外差檢測技術與性能優(yōu)良的伺服系統(tǒng)，下文將先對光外差檢測技術與伺服系統(tǒng)進行介紹，接著對以上幾種穩(wěn)頻技術進行介紹。

光學中的光外差檢技術與電子學中的相關檢測技術相似。將光學系統(tǒng)的回波光信號與本振光信號在光電探測器上進行光學混頻，混頻信號中的差頻或拍頻項頻率相較于光頻慢很多，因而只需保證其頻率低于探測器的截止頻率，探測器就會輸出電流，最終經過解調可以反演出所需探測的相關參數[25～29]。圖2為光外差檢測原理示意圖。

圖2 光外差檢測原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical heterodyne detection principle

主動穩(wěn)頻技術中最核心的部分就是需要搭建一套閉環(huán)的反饋控制回路，通過反饋控制激光的輸出頻率，其中伺服系統(tǒng)便扮演著反饋回路的角色，其性能的優(yōu)劣關系到穩(wěn)頻的效果。將前文介紹的外差信號輸入到鑒頻或鑒相電路中，并將輸出信號通過濾波放大電路得到誤差信號，接著將誤差信號送入比例-積分-微分(PID)控制器中[30，31]，根據PID控制器各模塊的不同特點，通過選擇單個或多個模塊組成不同的控制器，同時細心調節(jié)PID參數來得到一個較優(yōu)的反饋控制信號給溫度模塊與電流模塊(其中溫度模塊可對激光器工作中產生的慢頻漂進行粗調節(jié)，電流模塊可對快頻漂進行細調節(jié))[32]，進而達到控制激光器工作溫度與工作電流的功能，實現激光器的穩(wěn)頻。圖3為伺服系統(tǒng)示意圖。

圖3 伺服系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of servo system

3.1 頻率調制光譜穩(wěn)頻技術

頻率調制光譜穩(wěn)頻技術(FMS)是一種調制穩(wěn)頻技術[33]。其原理是將出射激光經過電光相位調制器(EOM)進行頻率調制，使得激光載波兩側生成等幅反相的弱邊帶，如果將激光頻率穩(wěn)定在氣體吸收池的吸收峰上，則探測器拍頻信號為零，若激光頻率發(fā)生偏移，調制光通過氣體池時會被非對稱吸收，其幅度與相位便會發(fā)生變化，因此探測器輸出的拍頻信號不為零，將此拍頻信號與本振調制信號經過移位器后進行混頻，再通過濾波得到鑒頻信號即誤差信號，將誤差信號輸入伺服系統(tǒng)后輸出控制信號到激光器上，從而控制激光波長，將其鎖定在氣體吸收池的吸收峰中心，完成激光的鎖定。圖4為FMS穩(wěn)頻原理示意圖。

圖4 FMS穩(wěn)頻原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of FMS frequency stabilization

3.2 相位調制光外差穩(wěn)頻技術

相位調制光外差穩(wěn)頻技術(PDH)[34]與FMS原理相似，區(qū)別在于PDH有著更高的調制頻率，其通常將激光頻率穩(wěn)定在一個高Q值的F-P超穩(wěn)腔上，穩(wěn)頻效果優(yōu)于FMS穩(wěn)頻。該穩(wěn)頻技術原理是將出射激光經過EOM后產生調制光，當激光頻率偏離超穩(wěn)腔的共振頻率時，調制光經過F-P超穩(wěn)腔反射后，其幅度和相位發(fā)生變化，導致拍頻信號不能相互抵消，因而探測器會輸出一個包含調制頻率的信號，經過鑒相后通過伺服系統(tǒng)將激光器的頻率鎖定在F-P腔的共振頻率上。得益于F-P諧振腔共振模式的梳狀結構，PDH理論上可以不受波長的限制，從而可以對不同波長的激光器進行穩(wěn)頻，避免了FMS因原子/分子能級的限制導致可供穩(wěn)頻波段較短的缺點。圖5為PDH穩(wěn)頻示意圖。

圖5 PDH穩(wěn)頻示意圖Fig.5 Schematic diagram of PDH frequency stabilization

3.3 基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術

基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術是一種非調制穩(wěn)頻技術[35]。其原理是將輸出的激光進行分束，一束直接由光電探測器探測，另外一束經過氣體吸收池后由同型的光電探測器探測。將激光頻率鎖定在氣體吸收池透過率曲線陡峭邊緣的半高位置附近，若激光的頻率發(fā)生改變，則其所對應的透過率將會發(fā)生巨大變化，利用探測器檢測光強的變化，將透過率的相對變化作為誤差信號輸入到伺服系統(tǒng)進行處理，接著伺服系統(tǒng)輸出反饋信號到激光器上，保持透過光強相對不變，完成對激光頻率的鎖定。圖6為基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術示意圖。

圖6 基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術示意圖Fig.6 Schematic diagram of frequency locking technology based on atomic/molecular absorption lines

3.4 偏頻鎖定技術

偏頻鎖定技術(offset locking)是一種將一束待鎖定的激光鎖定到另一束穩(wěn)定的參考激光上的非調制穩(wěn)頻技術[36]。該技術對參考激光的頻率穩(wěn)定性要求較高，參考激光的頻率穩(wěn)定性決定了待穩(wěn)定激光器的頻率穩(wěn)定性。在選擇好一束穩(wěn)定的參考激光后，需要保證待鎖定的激光與參考激光之間有一個頻率差，該條件可以由這兩束激光在高速光電探測器上拍頻得到，將拍頻信號輸入到混頻器中，同時本地振蕩器輸出一個與拍頻信號同頻的信號到混頻器中，兩路信號經過混頻、濾波后輸入到伺服系統(tǒng)，從而實現偏頻鎖定。圖7偏頻鎖定示意圖。

圖7 偏頻鎖定示意圖Fig.7 Schematic diagram of frequency offset locking and frequency stabilization

以上4種穩(wěn)頻技術中，頻率調制光譜穩(wěn)頻技術和相位調制光外差穩(wěn)頻技術抗干擾能力強、穩(wěn)定性高、具有光外差檢測與外調制的優(yōu)點，即控制激光器時，不會因內調制而引入額外的本底噪聲，同時誤差信號有著較大的斜率，這意味著應用這兩種穩(wěn)頻技術的系統(tǒng)有著較高的靈敏度，從而保證了高精度的頻率穩(wěn)定，但這兩種穩(wěn)頻技術也存在一些缺點，如調制晶體可能會因雙折射效應等其他因素產生殘余振幅調制(RAM)[18，37]，這將會影響誤差信號的質量，進而干擾到激光器的穩(wěn)頻。

另外，這兩種穩(wěn)頻技術的實驗系統(tǒng)結構復雜，如特殊的腔體結構設計或氣體吸收池的嚴格控溫，這都增加了實驗的操作難度與成本[38]?；谠?分子吸收譜線的鎖頻技術與偏頻鎖定技術未采用調制穩(wěn)頻，其中基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術實驗系統(tǒng)簡單，易實現且成本較低，該技術的抗干擾能力一般，存在頻率跳變易脫鎖的問題[39]，同時，該技術對所選擇的氣體吸收池的透過率曲線有較高的要求，因此需要對氣體吸收池的溫度進行精確控制；偏頻鎖定技術能夠實現多個激光器的穩(wěn)頻[40]，但其頻率穩(wěn)定度取決于參考激光器，因此該穩(wěn)頻技術需要高穩(wěn)定的參考激光器，這意味著實驗成本可能較高。表1對這4種穩(wěn)頻技術進行了對比。

表1 穩(wěn)頻技術對比Tab.1 Comparison of frequency stabilization techniques

4 穩(wěn)頻技術在大氣探測激光雷達中的應用

4.1 頻率調制光譜穩(wěn)頻技術

2010年美國宇航局Kenji Numata等[41]采用FMS穩(wěn)頻技術，利用緊湊型電光相位調制器來減少RAM，同時設計了一個CO2多程反射參考氣室來增加吸收光程，通過控制電流、溫度，成功地將主激光器的激光頻率鎖定到CO2的吸收線中心 1 572.335 nm 處，最終在72 h以0.8 s的平均時間將其峰間頻率漂移抑制在0.3 MHz以內。從激光器使用偏頻鎖定技術將激光頻率偏頻鎖定到主激光器上，其有著跟主激光器幾乎相同的MHz精度的絕對頻率穩(wěn)定度，該單位研制的基于光纖的脈沖激光雷達系統(tǒng)可用于測量全球的CO2混合比，精度可達1×10-6。圖8為分布式反饋激光器(DFB)穩(wěn)頻裝置示意圖。

圖8 DFB穩(wěn)頻裝置示意圖[41]Fig.8 Schematic diagram of DFB frequency stabilizing device

2014年中國科學院上海技術物理研究所劉豪等基于FMS穩(wěn)頻技術研制的差分吸收激光雷達系統(tǒng)，選擇CO2氣體吸收池作為吸收物質，將吸收峰波長穩(wěn)定在1 572.018 nm處，測得吸收峰波長在4 h的頻率穩(wěn)定性達到0.05 pm以內，在450 m的積分路徑和1 s的積分時間取得了優(yōu)于3.39×10-6的CO2探測精度[42]；2020年，同單位洪光烈等在 1 550 nm 波段使用聲光調制器(AOM)替代EOM解決了直流偏置電壓不穩(wěn)定的問題，通過FMS技術將激光波長鎖定在1 572.335 nm處，測得On-line激光器波長在12 h內均方根誤差小于0.05 pm，將穩(wěn)頻后的路徑積分差分吸收激光雷達(IPDA)對上海市虹口區(qū)的CO2進行探測，經過對比發(fā)現，IPDA所探測的數據與其他探測器的測量數據吻合[43]，短時探測精度可達4×10-6。2017年杜娟等為了達到1×10-6高精度探測CO2的要求，基于FMS技術，選用長度為10 m，氣壓為70 mbar的氣體吸收池，將種子激光精確鎖定在CO2的R18吸收線上，在8 h以0.1 s的平均時間將均方根頻率漂移控制在50 KHz以內，得到了較高的短期頻率穩(wěn)定性，但其長期穩(wěn)定性仍然不夠理想。通過種子注入光參量振蕩器(OPO)搭建了一套可用于CO2濃度測量的1 572 nm雙脈沖積分路徑差分吸收激光雷達，其測量的二氧化碳柱平均干空氣混合比(XCO2)的標準偏差為2.42×10-6，測量精度達到0.56%；2020年，重點分析了吸收池、EOM對穩(wěn)頻性能的影響，根據仿真與實驗確定了長度為12 m、氣壓為40 mbar的氣體吸收池，并將調制頻率設置為120 MHz，完成了對穩(wěn)頻系統(tǒng)的改良，經實驗測得優(yōu)化過后的激光頻率抖動峰峰值在150 kHz，在1 000 s以內頻率穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-10，其優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性將來可應用于星載二氧化碳激光雷達[44～46]。

4.2 相位調制光外差穩(wěn)頻技術

2008年周軍等在國家“863”工程項目支持下，使用PDH穩(wěn)頻技術將激光頻率穩(wěn)定在F-P腔的共振頻率上，在1 h的運行時間里，絕對頻率漂移小于0.2 MHz，其頻率穩(wěn)定性很好地滿足了多普勒測風激光雷達的要求[47]。2012年卞正蘭利用PDH穩(wěn)頻技術搭建了一套全自動的穩(wěn)頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)在2.5 h內激光頻率的相對偏移不超過±17 kHz，其優(yōu)于 200 kHz 的絕對頻率穩(wěn)定度可應用于多普勒測風激光雷達[19]。2019年北京理工大學光電學院高春清教授課題組將1 470 nm泵浦光通過自制的非平面環(huán)形振蕩腔(NPRO)產生連續(xù)的1 645 nm種子激光，利用種子注入技術、PDH穩(wěn)頻技術將種子激光經過聲光晶體(AOM)后的一級衍射光注入從激光振蕩腔中，通過調節(jié)激光振蕩器中平面鏡M3上的壓電陶瓷來控制腔長，使腔長能與種子激光頻率匹配與鎖定，最終輸出的1 645 nm脈沖激光的頻率穩(wěn)定度為525 kHz，這種高穩(wěn)定的單頻激光器適宜作為相干激光雷達系統(tǒng)的高質量光源[48]。圖9為該實驗的PDH穩(wěn)頻裝置示意圖。

圖9 基于PDH穩(wěn)頻技術調QEr:YAG激光器的裝置示意圖[48]Fig.9 Experimental setup of a frequency stabilized,Q-switched Er:YAG laser based on the PDH method

4.3 基于原子/分子吸收譜線的鎖頻技術

2016年中國科學院國家空間科學中心郭文杰等通過分析壓電陶瓷(PZT)調頻與溫度調頻之間的關系，將PZT調頻電壓作為溫度調頻的輸入來修正激光頻率的漂移量，并將激光頻率鎖定在碘分子1111吸收線的右側邊緣上得到了穩(wěn)定的激光輸出，鎖頻精度約為350 kHz，穩(wěn)頻后的激光可為后續(xù)激光雷達系統(tǒng)長期穩(wěn)定探測大氣風場等參數提供保障[49]。2019年西安理工大學閆慶等人基于分子吸收譜線技術給HSRL搭建了一套脈沖激光鎖頻系統(tǒng)，該系統(tǒng)選擇328 K時碘分子1109吸收線左側線性區(qū)作為鑒頻曲線，通過調整PID控制電路電壓對種子激光器PZT、晶體溫度進行調節(jié)，實現了激光頻率的微調，輸出的激光頻率漂移穩(wěn)定在2.2 MHz以內，得到的實測風速測量誤差在0.6 m/s以內，溫度測量誤差在0.5 K以內，圖10為脈沖激光動態(tài)鎖頻系統(tǒng)圖[50]。

圖10 脈沖激光動態(tài)鎖頻系統(tǒng)圖[50]Fig.10 Diagram of pulse laser dynamic frequency locking system

2020年安徽光機所王邦新等使用二級穩(wěn)頻的方法對室溫、F-P標準具的溫度進行精確控制，縮小了溫漂[51]。2021年同單位李路專門為種子激光器設計了一個溫控箱用來抑制激光頻率的長期漂移，接著使用基于分子吸收譜線的鎖頻技術進行穩(wěn)頻，同時利用PID控制技術對長度為25 cm，溫度約70 ℃的碘吸收池進行精確控溫，從而優(yōu)化了短期漂移，在 4 h 內使得種子激光頻率鎖定在±8 MHz范圍內，實現了對徑向風速廓線的探測，探測高度可達17 km，最大方差為4.8 m/s，而未鎖定前的最大方差為 6.9 m/s[52]。不難發(fā)現，經過穩(wěn)頻的多普勒測風激光雷達測量結果更準確。

4.4 偏頻鎖定技術

2006年納沙泰爾天文臺Matthey等研制了935 nm波長范圍內可用于水蒸氣探測的四波長光學參考系統(tǒng)[53]。該系統(tǒng)利用波長調制光譜技術(WMS)將3個On-line激光波長鎖定在不同強度的水蒸氣吸收線上，利用偏頻鎖定技術對Off-line激光器波長進行偏頻鎖定，在測量儀器的探測極限下，鎖定在最強吸收線的激光的頻率穩(wěn)定性在15 MHz以內的時間超過了1天，該激光滿足了DIAL激光發(fā)射器的性能要求，若將其作為振蕩器的種子光源時，能夠有效提升差分吸收激光雷達測量結果的精確度。2011年日本國家信息和通信技術研究所(NICT)Shoken IshII等利用FMS穩(wěn)頻技術將MO-I激光器的波長穩(wěn)定在CO2的R30吸收線上，并成功將激光的頻率穩(wěn)定性鎖定在160 kHz以內，持續(xù)時間在13小時以上；將MO-I與MO-II激光器的激光在高速光電探測器上進行混頻，同時使用鎖相環(huán)(PLL)控制所需要的激光頻率偏移，MO-II激光器的頻率被鎖定在190 kHz以內；MO-III激光器的波長通過調節(jié)諧振腔溫度與壓電元件來控制[54]。在2010年和2011年利用穩(wěn)頻后的2 μm相干差分吸收激光雷達測量了海拔0.4～1.0 km的XCO2，經過仔細驗證發(fā)現，2010年測得的XCO2值與機載儀器的測量值之差小于4.1×10-6，精度優(yōu)于1%，圖11為偏頻鎖定裝置示意圖。

圖11 偏頻鎖定裝置示意圖[54]Fig.11 Schematic diagram of frequency offset locking device

2020年日本三菱電機信息技術研發(fā)中心Masaharu Imaki等將FMS穩(wěn)頻技術與偏頻鎖定技術結合實現了波長的鎖定[55]。首先該單位利用FMS穩(wěn)頻技術將其中一個激光器的波長鎖定到氰化氫(HCN)的R18吸收線上，使得該激光器的波長穩(wěn)定性達到0.07 pm以內;接著將穩(wěn)頻激光與待鎖定激光進行拍頻，利用濾波器的邊緣透過率與偏頻鎖定技術將待鎖定激光調節(jié)到水汽的吸收線上，使其波長的頻率穩(wěn)定性達到0.102 pm。該單位使用穩(wěn)頻后的1.53 μm相干差分吸收激光雷達對水汽密度與風速進行了精確探測，測得的水汽密度光譜的隨機誤差為0.56 g/m3；測量的水汽/風的垂直剖面能夠以100 m的分辨率顯示，圖12為其波長鎖定原理圖。

圖12 波長鎖定原理圖[55]Fig.12 Schematic diagram of wavelength locking

5 結 論

本文針對大氣探測激光雷達應用過程中因激光頻率不穩(wěn)定而導致大氣參數測量精確度變差的問題，分析了目前普遍采用的4種應用于大氣探測激光雷達的激光穩(wěn)頻技術，并詳細描述了各種技術應用于激光雷達中的方法和范例。

隨著大氣探測激光雷達的不斷發(fā)展，研究者們對精確測量研究大氣中更多成分的需求也隨之提高，對激光雷達抗干擾能力的要求愈加嚴格，未來基于穩(wěn)頻技術的大氣探測激光雷達將為高精度測量大氣參數提供可靠的硬件支撐，并更好地為環(huán)境監(jiān)測、航空航天、軍事等領域服務。