高飛 南恒帥 黃波 汪麗 李仕春 王玉峰 劉晶晶閆慶 宋躍輝 華燈鑫

(西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院,西安 710048)

1 引 言

氣溶膠是大氣污染物的重要組成部分,成分十分復(fù)雜,物理化學(xué)特性差異顯著[1,2],是全球氣候變化研究中最不確定的影響因子之一[3].氣溶膠隨氣流漂浮或沉降,在大氣輻射的吸收和散射、云霧降水的形成、大氣污染以及大氣光電現(xiàn)象的產(chǎn)生過(guò)程中都起著非常重要的作用[4].測(cè)量氣溶膠的物理化學(xué)特性及其演化規(guī)律,對(duì)于揭示氣溶膠時(shí)空分布與近地表環(huán)境的作用關(guān)系,分析區(qū)域環(huán)境和氣候變化具有非常重要的作用.

高光譜分辨率激光雷達(dá)是激光雷達(dá)的一種重要形式,在大氣污染及環(huán)境監(jiān)測(cè)中扮演著重要的角色,其可精確提供表征氣溶膠特性的物理參量––氣溶膠消光和后向散射系數(shù)[5].其探測(cè)原理主要是利用超窄帶濾波器分離單縱模(單頻)脈沖激光的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射光譜信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)在無(wú)需額外假設(shè)的條件下反演氣溶膠消光、后向散射和激光雷達(dá)比等光學(xué)參量[6].單縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵主要有以下兩點(diǎn).1)高精度的激光鎖頻技術(shù),以提供單縱模脈沖激光.Zhao等[7]設(shè)計(jì)的鎖頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了激光80 MHz頻率穩(wěn)定精度.Cheng等[8]利用多諧波外差技術(shù)實(shí)現(xiàn)了寬視場(chǎng)角邁克耳孫干涉儀的鎖頻技術(shù).2)超窄帶濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)對(duì)米散射或者瑞利散射信號(hào)高達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)的抑制率.目前主要有兩種形式的濾波器成功應(yīng)用在高光譜分辨率激光雷達(dá)上:原子/分子吸收濾波器和法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具濾波器.鋇原子吸收濾波器和碘分子吸收濾波器是典型的原子/分子吸收濾波器,其中鋇原子吸收濾波器利用特定溫度下原子吸收譜線與激光大氣回波的米散射光譜重合的原理,分離氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射信號(hào)[9].雖然鋇原子吸收濾波器可以提供氣溶膠米散射信號(hào)的高抑制比,但是激光器必須選擇染料激光器,限制了其應(yīng)用范圍.碘分子吸收濾波器在普通室溫條件下就可提供精細(xì)的超窄帶吸收光譜,實(shí)現(xiàn)對(duì)米散射信號(hào)高達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)的抑制率[10,11].以碘分子吸收濾波器為光學(xué)分光器的高光譜分辨率激光雷達(dá)可選擇Nd:YAG激光器的二倍頻輸出532 nm作為激勵(lì)光源,因此極大地推動(dòng)了高光譜分辨率激光雷達(dá)在氣溶膠探測(cè)中的應(yīng)用[12,13].隨著光學(xué)加工工藝的提高,法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具通過(guò)提供高精細(xì)的窄帶干涉條紋譜線,成功應(yīng)用于高光譜分辨率激光雷達(dá)中[14].通過(guò)調(diào)節(jié)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具窄帶反射條紋譜線的中心波長(zhǎng),使之與激光發(fā)射波長(zhǎng)重合,從而利用窄帶干涉條紋抑制大氣分子瑞利散射信號(hào)而透過(guò)氣溶膠米散射信號(hào),實(shí)現(xiàn)氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射信號(hào)的分離[15,16].Hua等[17]在溫度測(cè)量高光譜分辨率激光雷達(dá)中設(shè)計(jì)了多通道的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具分離光譜信號(hào),而氣溶膠作為其副產(chǎn)品完全可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量.

考慮到單縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜性,日本國(guó)立環(huán)境研究所的Jin等[18]和阿根廷División Lidar的Ristori等[19]提出了多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)的思想.該思想摒棄了高光譜分辨率激光雷達(dá)必須選擇單縱模脈沖激光的思路,利用可調(diào)諧的干涉儀來(lái)分離多縱模激光的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射信號(hào).浙江大學(xué)的劉東團(tuán)隊(duì)借助這種思想,利用設(shè)計(jì)的寬視場(chǎng)邁克耳孫干涉儀開(kāi)展近紅外波段多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)的氣溶膠探測(cè)技術(shù)和理論研究[20].本文從激光器的多縱模模式出發(fā),分析紫外域激光多縱模模式在大氣中傳輸?shù)臍馊苣z米散射光譜和瑞利散射光譜,探討紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)建設(shè)的可能性,并利用大氣模型對(duì)所設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)仿真.

2 激光器的多縱模模式及其在大氣傳輸中的散射光譜

Nd:YAG固體激光器可提供基頻1064 nm紅外光及其二倍頻532 nm綠光、三倍頻355 nm紫外光,已經(jīng)成為激光雷達(dá)系統(tǒng)激勵(lì)光源的的主流選擇.考慮到對(duì)太陽(yáng)背景光的抑制以及大氣分子散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比的關(guān)系,本文選擇Nd:YAG脈沖激光器的三倍頻輸出355 nm作為研究對(duì)象,分析其多縱模模式及其在大氣傳輸中的光譜信號(hào).圖1給出了為太陽(yáng)背景光在不同波長(zhǎng)下的強(qiáng)度分布,可以看出,紫外域波長(zhǎng)355 nm相比于1064 nm和532 nm,太陽(yáng)背景光的強(qiáng)度要弱些,使得以其作為激勵(lì)波長(zhǎng)的激光雷達(dá)更容易實(shí)現(xiàn)全天時(shí)探測(cè).

圖1 太陽(yáng)背景光在不同波長(zhǎng)下的強(qiáng)度分布Fig.1.Solar spectral irradiance at different wavelengths.

Nd:YAG固體激光器諧振腔的諧振頻率νq為

式中,c表示光速,λ表示激光波長(zhǎng),n表示激光諧振腔的折射率,L表示諧振腔長(zhǎng)度.激光諧振腔具有選頻的作用,即從頻帶很寬的光波中,選出滿足諧振頻率的光波,相對(duì)應(yīng)的模式稱為縱模.相鄰兩個(gè)縱模的頻率之差Δνd稱為縱模間隔,為

則激光器輻射線寬Δν內(nèi)的縱模個(gè)數(shù)N為

以美國(guó)Continuum公司生產(chǎn)的Surelite系列的Nd:YAG固體激光器為例,在無(wú)種子注入的情況下,其輻射線寬Δν為1cm?1(30 GHz),當(dāng)激光諧振腔的有效長(zhǎng)度為40cm時(shí),縱模間隔為375 MHz,輻射線寬內(nèi)的縱模個(gè)數(shù)為80.該系列激光器的縱模頻譜分布圖如圖2所示.

激光束在大氣中傳輸時(shí),會(huì)與大氣中的物質(zhì)(大氣分子、氣溶膠粒子)發(fā)生相互作用產(chǎn)生大氣散射回波光譜信號(hào),包括由氣溶膠粒子產(chǎn)生的米散射、大氣分子產(chǎn)生的瑞利散射以及分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的拉曼散射和熒光等.

圖2 典型Nd:YAG固體激光器的多縱模模式及其頻譜分布Fig.2.Multi-longitudinal modes and its spectral distribution of typical Nd:YAG laser.

氣溶膠米散射與氣溶膠的尺度譜、光學(xué)折射率以及激光波長(zhǎng)等密切相關(guān),散射機(jī)制較為復(fù)雜,其光譜寬度本質(zhì)上是氣溶膠粒子的布朗運(yùn)動(dòng)所造成的多普勒展寬,其半高全寬與激光器的線寬有關(guān),一般為百兆赫茲.大氣分子瑞利散射可看作是米散射在散射粒子的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射激光波長(zhǎng)情況下的近似,其散射光譜RM(ν)是由大氣分子熱運(yùn)動(dòng)造成的多普勒展寬,其可簡(jiǎn)化為高斯模型表示:

式中,ν為頻率,ν0為激光發(fā)射頻率,m為分子質(zhì)量,k為玻爾茲曼常數(shù).大氣分子瑞利散射強(qiáng)度分布I(ν)可近似為高斯分布:

式中,δν=7.16×10?7ν0(T/M)1/2為瑞利散射光譜寬度,T為大氣溫度,M為大氣分子的平均摩爾質(zhì)量(28.96 g/mol),I0表示ν0處的歸一化強(qiáng)度.在T為300 K,ν0為355 nm時(shí),光譜寬度約為4 GHz.激光大氣后向散射信號(hào)的光譜分布形式,就是氣溶膠后向散射信號(hào)疊加在大氣分子后向散射的多普勒展寬信號(hào)上(圖3).

而多縱模的脈沖激光在大氣中傳輸時(shí),相當(dāng)于多個(gè)有序單縱模所產(chǎn)生的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射信號(hào)的疊加,也就是說(shuō),多縱模激光的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射光譜為多縱模脈沖激光的頻譜與單縱模脈沖激光的氣溶膠米散射和瑞利散射光譜的卷積.典型Nd:YAG多縱模脈沖激光器紫外光輸出的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射光譜如圖3所示.

圖3 典型Nd:YAG多縱模激光器紫外光輸出的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射光譜,右上角圖為單縱模激光的米散射和瑞利散射光譜Fig.3.Spectra of aerosol Mie scattering and molecular Rayleigh scattering excited by typical Nd:YAG UV multi-mode lasers.The up-right layer displays the spectral of Mie and Rayleigh scattering by a single frequency laser.

3 紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外域多縱模激光的氣溶膠米散射信號(hào)和大氣分子瑞利散射信號(hào)的接收和分離,設(shè)計(jì)的紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.激光發(fā)射子系統(tǒng)選用高功率Nd:YAG脈沖激光器的三倍頻輸出355 nm作為激勵(lì)波長(zhǎng),其輻射線寬為30 GHz.在諧振腔腔長(zhǎng)為40cm的情況下,在輻射線寬內(nèi)有80個(gè)縱模輸出.多縱模激光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后進(jìn)入大氣,所產(chǎn)生的后向散射光被卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收,經(jīng)多模光纖傳輸進(jìn)入光學(xué)分光子系統(tǒng).同時(shí),發(fā)射激光在射向大氣前,部分光被光束分離鏡所截取并耦合在多模光纖以傳輸至接收望遠(yuǎn)鏡中,這部分光束作為參考信號(hào)用來(lái)評(píng)價(jià)激光的光譜特性,并和大氣回波信號(hào)一起被高速數(shù)據(jù)采集卡(采樣頻率＞100 MHz)進(jìn)行信號(hào)采集.

光學(xué)分光系統(tǒng)由窄帶干涉濾光片和可調(diào)諧馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x組成.窄帶干涉濾光片主要用于抑制太陽(yáng)背景光,以實(shí)現(xiàn)氣溶膠時(shí)空變化的全天時(shí)觀測(cè).其中心波長(zhǎng)為354.7 nm,帶寬應(yīng)綜合考慮脈沖激光器的輻射線寬和太陽(yáng)背景光的影響,系統(tǒng)選擇濾光片的帶寬為1 nm.可調(diào)諧的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x用于分離多縱模激光的氣溶膠米散射光譜和大氣分子瑞利散射光譜,其主要由一個(gè)安置在壓電陶瓷上的屋脊反射鏡和兩個(gè)光束分離鏡構(gòu)成.多模光纖的輸出經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后變成平行光,經(jīng)窄帶干涉濾光片IF后被光束分離鏡BS1分成能量相等的兩束光.其中反射光束射向可移動(dòng)的屋脊反射鏡并經(jīng)折返后,與光束分離鏡BS1的透射光束經(jīng)光束分離鏡BS2后相遇而發(fā)生干涉現(xiàn)象.光束分離鏡BS2的輸出為兩束相位相反的疊加光束,并通過(guò)光電倍增管(PMT)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換.

圖4 紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(IF,窄帶干涉濾光片;BS,光束分離鏡;PMT,光電倍增管)Fig.4.Schematic of ultraviolet multi-mode high-spectral-resolution lidar.IF,interference filter;BS,beam splitter;PMT,photomultiplier tube.

馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的透過(guò)率函數(shù)TMZ可表示為[21]

式中,ΔνMZ(=c/(2n×OPD))是與光程差相關(guān)的光譜寬度.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多縱模激光的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射的精細(xì)光譜分離,需要設(shè)置馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的光程差,使其自由光譜范圍與激光縱模間隔相一致.馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x光程差的調(diào)節(jié)需要控制屋脊反射鏡上的壓電陶瓷,進(jìn)而移動(dòng)屋脊鏡的位置.光程差的改變會(huì)導(dǎo)致相長(zhǎng)干涉與相消干涉的變化.當(dāng)屋脊反射鏡的移動(dòng)距離為Δd時(shí),光程差的改變量為2Δd,因此在紫外域激光355 nm的測(cè)量條件下,每移動(dòng)177.5 nm相長(zhǎng)干涉與相消干涉就會(huì)發(fā)生一次周期變化.若控制屋脊反射鏡的移動(dòng)距離在納米級(jí)運(yùn)動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)最佳光程差的調(diào)控.

對(duì)于具有40cm長(zhǎng)度諧振腔的高能量Nd:YAG脈沖激光器來(lái)說(shuō),其在1cm?1(30 GHz)的輻射線寬內(nèi)具有80個(gè)縱模.由于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的輸出是互補(bǔ)型的干涉圓環(huán)或者干涉條紋,因此當(dāng)一路輸出為相長(zhǎng)干涉時(shí),另外一路輸出為相消干涉.通過(guò)調(diào)諧馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x,可以確定分離米散射和瑞利散射的最佳光程差.在調(diào)諧過(guò)程中,通過(guò)包絡(luò)分析參考信號(hào)(發(fā)射激光)來(lái)確定最優(yōu)光程差.當(dāng)參考信號(hào)的一路輸出為最小,另一路輸出為最大時(shí),則每一個(gè)激光縱模的中心波長(zhǎng)就被鎖定在最優(yōu)光程差處.在此激光雷達(dá)中,光電檢測(cè)系統(tǒng)所測(cè)量的數(shù)據(jù)(兩路PMT輸出)分別為激光雷達(dá)回波中的多縱模脈沖激光的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射信號(hào)與馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x透過(guò)率函數(shù)的卷積.因此在測(cè)量激光大氣回波信號(hào)時(shí),其中一路輸出就表現(xiàn)為氣溶膠米散射信號(hào)的透過(guò),稱為米通道;而另外一路輸出則表現(xiàn)為對(duì)氣溶膠米散射信號(hào)的抑制,稱為瑞利通道.圖5為基于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的多縱模激光米散射和瑞利散射信號(hào)的分離提取原理,其中圖5(a)為瑞利通道透過(guò)率函數(shù),圖5(b)為米通道透過(guò)率函數(shù).由于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x雙通道輸出的互補(bǔ)性,因此米通道和瑞利通道信號(hào)之和為總的激光雷達(dá)回波信號(hào).

圖5 基于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的多縱模激光米散射和瑞利散射信號(hào)的分離提取技術(shù)(a)瑞利通道透過(guò)率函數(shù);(b)米通道透過(guò)率函數(shù)Fig.5.Separation and extraction of multi-mode laser Mie scattering and Rayleigh scattering signals based on Mach-Zehnder interferometer:(a)Transmittance function of Rayleigh channel;(b)transmittance function of Mie channel.

4 氣溶膠光學(xué)參量的數(shù)據(jù)反演

彈性散射激光雷達(dá)方程在分別考慮到氣溶膠和大氣分子在大氣后向散射β(r)和α(r)消光中的貢獻(xiàn)時(shí),可表示為

式中,P(r)表示激光雷達(dá)的瞬時(shí)接收功率,C為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù),P0為激光峰值發(fā)射功率,βa(r)和βm(r)分別表示氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(shù),αa(r)和αm(r)分別表示氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù).考慮到馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x雙通道輸出的互補(bǔ)性,米通道和瑞利通道的激光雷達(dá)方程可以分別表示為

式中,Taa表示米通道的米散射信號(hào)透過(guò)率,Tam表示米通道的瑞利散射信號(hào)透過(guò)率,Tma表示瑞利通道的米散射信號(hào)透過(guò)率,Tmm表示瑞利通道的瑞利散射信號(hào)透過(guò)率.由于兩個(gè)通道是互補(bǔ)輸出的,根據(jù)能量守恒定律,在不考慮馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x光學(xué)元件對(duì)光的吸收以及光能量損耗的情況下,

同時(shí),考慮到大氣分子瑞利散射譜寬遠(yuǎn)超過(guò)縱模間隔,因此多縱模激光脈沖的瑞利散射譜近似為一條30 GHz的方波譜(圖3),因此在不考慮馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x光學(xué)元器件的吸收以及能量損耗的情況下,則米散射通道的瑞利散射透過(guò)率(Tam)與瑞利散射通道的瑞利散射透過(guò)率(Tmm)相等,即Tam=Tmm=1/2.

若(9)與(10)式相加,則可得到激光雷達(dá)總的大氣回波信號(hào),即

若(9)與(10)式相減,則方程可表示為

即激光雷達(dá)方程中后向散射系數(shù)項(xiàng)中僅留有氣溶膠后向散射項(xiàng),這與拉曼激光雷達(dá)方程的形式非常相似,而拉曼激光雷達(dá)的后向散射中僅有大氣分子的貢獻(xiàn).氣溶膠后向散射與氣溶膠粒子的粒子譜、折射率和形狀特性有關(guān),因此還是很難求解得到氣溶膠消光系數(shù).

若(9)與(10)式相比,則方程可表示為

在氣溶膠光學(xué)參量研究中,氣溶膠后向散射比Ra定義為

因此,(14)式可以改寫為

米散射通道的米散射信號(hào)透過(guò)率Taa或者瑞利散射通道的米散射信號(hào)透過(guò)率Tma可通過(guò)理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定得到,因此通過(guò)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x互補(bǔ)雙通道信號(hào)的比值可以準(zhǔn)確反演氣溶膠后向散射比,進(jìn)而利用(13)和(15)式反演得到氣溶膠后向散射系數(shù)和氣溶膠消光系數(shù).

5 系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)的探測(cè)性能,本文將從氣溶膠光學(xué)參量數(shù)據(jù)反演的逆向出發(fā),在假設(shè)氣溶膠后向散射比的情況下,對(duì)多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,分別計(jì)算白天條件下米散射通道和瑞利散射通道的信號(hào)強(qiáng)度以及信噪比.激光雷達(dá)系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所列.系統(tǒng)仿真采用激光雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的大氣狀態(tài)模型,如圖6所示.其中圖6(a)分別表示大氣分子和氣溶膠的后向散射系數(shù),圖6(b)表示氣溶膠后向散射比,在5–6 km的高度上,存在一個(gè)明顯的氣溶膠/云層,使得氣溶膠的后向散射系數(shù)和后向散射比有一個(gè)明顯的躍變過(guò)程.

表1 紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)Table 1.Speci fications of the UV multi-mode high-spectral-resolution lidar system.

圖6 系統(tǒng)仿真所用大氣模型(a)氣溶膠和大氣分子后向散射系數(shù);(b)氣溶膠后向散射比Fig.6.The atmospheric model for system simulation study:(a)Aerosol and molecular backscatter coeff-cients;(b)aerosol backscatter ratio.

太陽(yáng)背景光是全天時(shí)激光雷達(dá)白天探測(cè)的絕對(duì)干擾,由于望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)角的存在,激光雷達(dá)所接收到的太陽(yáng)背景光Pb計(jì)算公式為

式中,Sb為太陽(yáng)輻射在地表的能量密度,此處取355 nm處的最大太陽(yáng)輻射能量密度(Sb=0.3×109W/(m2·sr·nm));Ar為望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積;Δλ為窄帶干涉濾光片的帶寬;θ為望遠(yuǎn)鏡的接收視場(chǎng)角.

根據(jù)激光雷達(dá)方程以及表1所列的激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù),分別計(jì)算得到紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)的米散射通道、瑞利散射通道和太陽(yáng)背景光的信號(hào)強(qiáng)度如圖7所示.在氣溶膠/云層存在的地方,激光雷達(dá)回波信號(hào)的強(qiáng)度有明顯的躍變.

在綜合考慮太陽(yáng)背景光、PMT本身暗電流等噪音的情況下,分別計(jì)算多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)的米散射通道和瑞利散射通道的信噪比為

圖7 米散射通道和瑞利散射通道以及太陽(yáng)背景光的回波信號(hào)強(qiáng)度分布Fig.7.The intensity distribution of return signals of Mie channel and Rayleigh channel as well as solar background light.

式中Ni米散射通道或者瑞利散射通道所接收到的光子數(shù),n為采樣累積次數(shù),Nb表示太陽(yáng)背景光Pb在PMT上所產(chǎn)生的光電子數(shù),Nd表示PMT本身的暗電流所產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù).

紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)的米散射和瑞利散射通道的信噪比計(jì)算結(jié)果如圖8所示.激光雷達(dá)的米散射通道和瑞利散射通道的信噪比在10 km的探測(cè)范圍內(nèi)均大于100,說(shuō)明系統(tǒng)即使在模擬探測(cè)模式下,也可以實(shí)現(xiàn)大氣邊界層乃至整個(gè)對(duì)流層的氣溶膠探測(cè).在氣溶膠/云層存在的高度上,回波信號(hào)強(qiáng)度增加,信噪比提升.

圖8 米散射通道和瑞利散射通道的信噪比隨高度的變化Fig.8.Signal-to-noise ratios of Mie channel and Rayleigh channel versus height.

6 討 論

從原理上來(lái)講,多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)利用可調(diào)諧的高光譜馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x及其雙通道輸出的互補(bǔ)性,可精細(xì)分離提取多縱模激光的氣溶膠米散射信號(hào)和大氣分子瑞利散射信號(hào),實(shí)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)特性的精細(xì)探測(cè).然而,多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)必須要仔細(xì)考慮以下兩個(gè)因素.1)多縱模脈沖激光縱模模式輸出的穩(wěn)定性.只有干涉儀的自由光譜范圍與多縱模脈沖激光的縱模模式相互匹配,才能實(shí)現(xiàn)多縱模激光的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射信號(hào)的分離提取.而激光的多縱模模式受激光腔長(zhǎng)、工作物質(zhì)的增益線寬和激勵(lì)水平等因素所決定,只有處于增益線寬內(nèi)的縱模頻率才能真正起振,形成多縱模振蕩.因此,多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要仔細(xì)研究多縱模激光的特性,尤其是脈沖激光的多縱模穩(wěn)定特性.2)可調(diào)諧馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x是分離提取多縱模激光的米散射和瑞利散射信號(hào)的關(guān)鍵.馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的輸出穩(wěn)定性受光束發(fā)散角、環(huán)境溫度、空氣湍流及機(jī)械振動(dòng)等因素影響,選擇合適的光程差,并合理分析這些因素對(duì)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x透過(guò)率曲線的影響,進(jìn)而分析對(duì)氣溶膠測(cè)量精度的影響,提出精確控制這些因素的方法也是多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要保障.同時(shí)在分析干涉儀透過(guò)率影響的基礎(chǔ)上,分析氣溶膠測(cè)量結(jié)果的不確定度,為優(yōu)化激光雷達(dá)系統(tǒng)性能提供可循依據(jù).今后將注重這兩方面的研究工作.

7 結(jié) 論

多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)是高光譜分辨率激光雷達(dá)的一個(gè)新概念,其摒棄了傳統(tǒng)的高光譜分辨率激光雷達(dá)必須采用單縱模脈沖激光器的思想,采用普通的高功率Nd:YAG固體激光器作為激勵(lì)光源,利用高光譜的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x分離提取多縱模激光的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射光譜,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣溶膠光學(xué)參量的精細(xì)探測(cè).

本文以典型Nd:YAG固體脈沖激光器為例,精確計(jì)算Nd:YAG激光器的多縱模模式,分析其在大氣中傳輸?shù)臍馊苣z米散射和大氣分子瑞利散射光譜信號(hào).當(dāng)激光器諧振腔的有效長(zhǎng)度為40cm時(shí),縱模間隔為375 MHz,在1cm?1(30 GHz)的輻射線寬內(nèi)縱模個(gè)數(shù)為80個(gè).多縱模激光的氣溶膠米散射光譜和大氣分子瑞利散射光譜是多縱模脈沖激光的頻譜與單縱模脈沖激光的氣溶膠米散射和瑞利散射光譜的卷積.

如何分離提取多縱模激光在大氣中傳輸時(shí)產(chǎn)生的氣溶膠米散射和瑞利散射光譜是多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵.本文采用窄帶干涉濾光片濾除太陽(yáng)背景光,設(shè)計(jì)可調(diào)諧的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x分離提取多縱模激光的大氣回波散射信號(hào),并利用馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x雙通道輸出互補(bǔ)性的原理,推導(dǎo)了氣溶膠光學(xué)參量的反演過(guò)程.系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達(dá),能夠?qū)崿F(xiàn)全天時(shí)條件下10 km高度范圍內(nèi)的氣溶膠光學(xué)特性精細(xì)探測(cè).

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