研究星載IPDA激光雷達探測CO2光譜純度

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.中國科學院安徽光學精密機械研究所中國科學院大氣成分與光學重點實驗室,安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學研究生院科學島分院,安徽 合肥 230026)

光譜純度是積分路徑差分吸收激光雷達最重要的系統參數之一,光譜純度直接影響CO2數據的探測精度.在模式研究中要求輸入觀測的CO2數據誤差小于1′10-6,對激光器光譜純度參數設計提出很高要求.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行選擇和分析,從而達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誤差的影響.結果表明:當光譜純度為99.9%,窄帶濾波器帶寬1GHz,透射率為0.86,脈沖能量為100mJ時CO2探測的系統誤差小于0.084′10-6,隨機誤差小于0.02′10-6,滿足探測精度要求.

激光雷達；光譜純度；IPDA；誤差分析

IPDA激光雷達探測方法決定了對脈沖品質的精細要求,脈沖能量光譜純度是激光器的關鍵參數.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和窄帶濾波器提出了嚴格要求[5-6].本文通過研究脈沖能量光譜純度對探測結果的影響,首先闡述IPDA激光雷達探測原理,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要求.最后討論了在IPDA激光雷達應用中采用的窄帶濾波器透過率所帶來的隨機誤差.

1 IPDA探測原理

星載IPDA激光雷達向天底發射兩束波長接近的脈沖,脈沖經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氣體含量.其中脈沖靠近目標氣體吸收峰,被目標氣體強烈吸收的波長稱為強吸收線,記為.另一束波長位于目標氣體的吸收翼,目標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.通過適當選取強弱吸收線,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激光雷達方程為[8]

根據(1)和(2)式以及流體靜力學方程和理想氣體狀態方程,可以得到

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

表1 星載IPDA激光雷達仿真參數

圖1 CO2和H2O的光學厚度

2 脈沖能量線型

激光器出射脈沖能量在波數域上存在展寬.理論上經激光器振蕩放大后出射能量應為單色光,實際上在種子注入諧振腔以及增益放大過程中,放大介質的自發輻射等變化會產生其他縱模,導致能量在波數域上展寬.理論計算中脈沖能量線型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

實際從激光器出射的脈沖能量中,還疊加有振蕩器中產生的寬帶能量噪聲.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,目標氣體對其吸收性質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輻射能量ASE產生,受激光器增益曲線影響,集中在脈沖能量中心,帶寬可以達到幾個到幾十個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.目前激光器所產生的光譜純度可以達到99.9%.

3 分析與討論

3.1 光譜純度系統誤差分析

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

由于光譜不純會產生較大的探測誤差,這不僅對激光器參數提出嚴格要求,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,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

圖4 不同FWHM的窄帶濾波器透射率廓線

由光譜純度帶來的系統誤差要求不高于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,進而降低探測誤差.不同窄帶濾波器帶寬對不同FWHM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系

圖中:圖(a)為FWHM為1GHz光譜不純能量(虛線)經1GHz窄帶濾波器過濾后能量線型(實線);圖(b)為FWHM為9GHz光譜不純能量(虛線)經1GHz窄帶濾波器過濾后能量線型(實線);不同FWHM窄帶濾波器下系統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系

3.3 隨機誤差分析

由于實際應用中窄帶濾波器對能量造成損耗和衰減,減少最后進入探測器的能量,增加隨機誤差.相對隨機誤差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生的反演隨機誤差.SNR為系統信噪比;為探測脈沖數.其中,

圖6 1GHz和6GHz帶寬的窄帶濾波器隨機誤差差異

圖7 RRE和脈沖能量以及透射率之間的關系

4 結論

IPDA激光雷達可以獲得高精度,高時空分辨率,全球覆蓋的CO2柱含量數據.其探測精度受光譜純度影響顯著,在探測系統誤差分析和參數論證研究中對激光器參數提出嚴格的要求.通過本文對光譜純度的研究,在已有研究基礎上對光譜純度參數的誤差影響進行研究,得出以下結論和改進:

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%,由此可以降低系統對激光器光譜純度參數的要求,提升探測精度.

4.3 當光譜純度為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時探測得到的系統誤差小于0.084′10-6,隨機誤差小于0.02′10-6,滿足星載IPDA激光雷達對CO2探測精度的要求.

[1] Stocker T F, Qin D, Plattner G K, et al. Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [J]. Climate Change 2013: the Physical Science Basis, 2013.

[2] 夏玲君,劉立新,李柏貞,等.我國中部地區大氣CO2柱濃度時空分布 [J]. 中國環境科學, 2018,38(8):2811-2819.

[3] Rayner P J, O'Brien D M. The utility of remotely sensed CO2concentration data in surface source inversions [J]. Geophysical Research Letters, 2001,28(1):175-178.

[4] Ehret G, Kiemle C, Wirth M, et al. Space-borne remote sensing of CO2, CH4, and N2O by integrated path differential absorption lidar: a sensitivity analysis [J]. Applied Physics B, 2008,90(3/4):593-608.

[5] Ehret G, Kiemle C. Requirements definition for future DIAL instruments, Final Report [J]. ESA Study Contract Report, DLR, 2005.

[6] 姜佳欣,李世光,馬秀華,等.種子注入單頻脈沖光參量振蕩器的光譜純度研究[J]. 中國激光, 2015,(7):66-72.

[7] B?senberg J. Ground-based differential absorption lidar for water-vapor and temperature profiling: methodology [J]. Applied optics, 1998,37(18):3845-3860.

[8] Refaat T F, Ismail S, Nehrir A R, et al. Performance evaluation of a 1.6-μm methane DIAL system from ground, aircraft and UAV platforms [J]. Optics Express, 2013,21(25):30415-30432.

[9] Caron J, Durand Y. Operating wavelengths optimization for a spaceborne lidar measuring atmospheric CO2[J]. Applied Optics, 2009,48(28):5413-5422.

[10] Rothman L S, Gordon I E, Babikov Y, et al. The HITRAN2012 molecular spectroscopic database [J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2013,130:4-50.

[11] 朱湘飛,林兆祥,劉林美,等.溫度壓強對CO2吸收光譜的影響[J]. 物理學報, 2014,63(17):174203-174203.

[12] 陳 潔,張淳民,王鼎益,等.地表反照率對短波紅外探測大氣CO2的影響[J]. 物理學報, 2015,64(23):239201-239201.

[13] 韓 舸,龔 威,馬 昕,等.地基CO2廓線探測差分吸收激光雷達[J]. 物理學報, 2015,64(24):244206-244206.

[14] 葛 燁,胡以華,舒 嶸,等.一種新型的用于差分吸收激光雷達中脈沖式光學參量振蕩器的種子激光器的頻率穩定方法[J]. 物理學報, 2015,64(2):20702.

[15] Mckee T J, Lobin J, Young W A. Dye laser spectral purity [J]. Applied optics, 1982,21(4):725-728.

[16] Przybylski M, Otto B, Gerhardt H. Spectral purity of pulsed dye lasers [J]. Applied Physics B, 1989,49(3):201-203.

[17] Ismail S, Browell E V. Airborne and spaceborne lidar measurements of water vapor profiles: a sensitivity analysis [J]. Applied Optics, 1989, 28(17):3603-3615.

[18] 薛竣文,裴雪丹,蘇秉華,等.激光器中FP標準具的研究[J]. 激光與光電子學進展, 2012,49(3):100-103.

[19] Miller C E, Crisp D, DeCola P L, et al. Precision requirements for space-based data [J]. Irish Journal of Psychological Medicine, 2017, 29(2):143-145.

致謝：感謝中國科學院安徽光學精密機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,主要從事激光雷達與大氣環境監測方面的研究.發表論文6篇.

2018-03-26

國家重點基礎研究發展計劃(2013CB955802);國家自然科學基金(41505019)

* 責任作者, 劉東，研究員，dliu@aiofm.cas.cn；王英儉，研究員，yjwang@aiofm.cas.cn