紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達探測氣溶膠的技術實現和系統仿真?

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

(西安理工大學機械與精密儀器工程學院,西安 710048)

1 引 言

氣溶膠是大氣污染物的重要組成部分,成分十分復雜,物理化學特性差異顯著[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象的產生過程中都起著非常重要的作用[4].測量氣溶膠的物理化學特性及其演化規律,對于揭示氣溶膠時空分布與近地表環境的作用關系,分析區域環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是激光雷達的一種重要形式,在大氣污染及環境監測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[5].其探測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,從而實現在無需額外假設的條件下反演氣溶膠消光、后向散射和激光雷達比等光學參量[6].單縱模高光譜分辨率激光雷達技術實現的關鍵主要有以下兩點.1)高精度的激光鎖頻技術,以提供單縱模脈沖激光.Zhao等[7]設計的鎖頻系統實現了激光80 MHz頻率穩定精度.Cheng等[8]利用多諧波外差技術實現了寬視場角邁克耳孫干涉儀的鎖頻技術.2)超窄帶濾波器的設計與應用,以實現對米散射或者瑞利散射信號高達三個數量級的抑制率.目前主要有兩種形式的濾波器成功應用在高光譜分辨率激光雷達上:原子/分子吸收濾波器和法布里-珀羅標準具濾波器.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[9].雖然鋇原子吸收濾波器可以提供氣溶膠米散射信號的高抑制比,但是激光器必須選擇染料激光器,限制了其應用范圍.碘分子吸收濾波器在普通室溫條件下就可提供精細的超窄帶吸收光譜,實現對米散射信號高達三個數量級的抑制率[10,11].以碘分子吸收濾波器為光學分光器的高光譜分辨率激光雷達可選擇Nd:YAG激光器的二倍頻輸出532 nm作為激勵光源,因此極大地推動了高光譜分辨率激光雷達在氣溶膠探測中的應用[12,13].隨著光學加工工藝的提高,法布里-珀羅標準具通過提供高精細的窄帶干涉條紋譜線,成功應用于高光譜分辨率激光雷達中[14].通過調節法布里-珀羅標準具窄帶反射條紋譜線的中心波長,使之與激光發射波長重合,從而利用窄帶干涉條紋抑制大氣分子瑞利散射信號而透過氣溶膠米散射信號,實現氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射信號的分離[15,16].Hua等[17]在溫度測量高光譜分辨率激光雷達中設計了多通道的法布里-珀羅標準具分離光譜信號,而氣溶膠作為其副產品完全可以實現精確測量.

考慮到單縱模高光譜分辨率激光雷達系統建設的復雜性,日本國立環境研究所的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的思想.該思想摒棄了高光譜分辨率激光雷達必須選擇單縱模脈沖激光的思路,利用可調諧的干涉儀來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.浙江大學的劉東團隊借助這種思想,利用設計的寬視場邁克耳孫干涉儀開展近紅外波段多縱模高光譜分辨率激光雷達的氣溶膠探測技術和理論研究[20].本文從激光器的多縱模模式出發,分析紫外域激光多縱模模式在大氣中傳輸的氣溶膠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建設的可能性,并利用大氣模型對所設計的激光雷達系統進行系統仿真.

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,已經成為激光雷達系統激勵光源的的主流選擇.考慮到對太陽背景光的抑制以及大氣分子散射強度與波長的四次方成反比的關系,本文選擇Nd:YAG脈沖激光器的三倍頻輸出355 nm作為研究對象,分析其多縱模模式及其在大氣傳輸中的光譜信號.圖1給出了為太陽背景光在不同波長下的強度分布,可以看出,紫外域波長355 nm相比于1064 nm和532 nm,太陽背景光的強度要弱些,使得以其作為激勵波長的激光雷達更容易實現全天時探測.

圖1 太陽背景光在不同波長下的強度分布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,n表示激光諧振腔的折射率,L表示諧振腔長度.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,相對應的模式稱為縱模.相鄰兩個縱模的頻率之差Δνd稱為縱模間隔,為

則激光器輻射線寬Δν內的縱模個數N為

以美國Continuum公司生產的Surelite系列的Nd:YAG固體激光器為例,在無種子注入的情況下,其輻射線寬Δν為1cm?1(30 GHz),當激光諧振腔的有效長度為40cm時,縱模間隔為375 MHz,輻射線寬內的縱模個數為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,會與大氣中的物質(大氣分子、氣溶膠粒子)發生相互作用產生大氣散射回波光譜信號,包括由氣溶膠粒子產生的米散射、大氣分子產生的瑞利散射以及分子振動和轉動產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、光學折射率以及激光波長等密切相關,散射機制較為復雜,其光譜寬度本質上是氣溶膠粒子的布朗運動所造成的多普勒展寬,其半高全寬與激光器的線寬有關,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遠小于入射激光波長情況下的近似,其散射光譜RM(ν)是由大氣分子熱運動造成的多普勒展寬,其可簡化為高斯模型表示:

式中,ν為頻率,ν0為激光發射頻率,m為分子質量,k為玻爾茲曼常數.大氣分子瑞利散射強度分布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量(28.96 g/mol),I0表示ν0處的歸一化強度.在T為300 K,ν0為355 nm時,光譜寬度約為4 GHz.激光大氣后向散射信號的光譜分布形式,就是氣溶膠后向散射信號疊加在大氣分子后向散射的多普勒展寬信號上(圖3).

而多縱模的脈沖激光在大氣中傳輸時,相當于多個有序單縱模所產生的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射信號的疊加,也就是說,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系統

為了實現對紫外域多縱模激光的氣溶膠米散射信號和大氣分子瑞利散射信號的接收和分離,設計的紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達系統結構圖如圖4所示.激光發射子系統選用高功率Nd:YAG脈沖激光器的三倍頻輸出355 nm作為激勵波長,其輻射線寬為30 GHz.在諧振腔腔長為40cm的情況下,在輻射線寬內有80個縱模輸出.多縱模激光經準直擴束后進入大氣,所產生的后向散射光被卡塞格林望遠鏡接收,經多模光纖傳輸進入光學分光子系統.同時,發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鏡中,這部分光束作為參考信號用來評價激光的光譜特性,并和大氣回波信號一起被高速數據采集卡(采樣頻率＞100 MHz)進行信號采集.

光學分光系統由窄帶干涉濾光片和可調諧馬赫-曾德爾干涉儀組成.窄帶干涉濾光片主要用于抑制太陽背景光,以實現氣溶膠時空變化的全天時觀測.其中心波長為354.7 nm,帶寬應綜合考慮脈沖激光器的輻射線寬和太陽背景光的影響,系統選擇濾光片的帶寬為1 nm.可調諧的馬赫-曾德爾干涉儀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,其主要由一個安置在壓電陶瓷上的屋脊反射鏡和兩個光束分離鏡構成.多模光纖的輸出經準直透鏡后變成平行光,經窄帶干涉濾光片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的屋脊反射鏡并經折返后,與光束分離鏡BS1的透射光束經光束分離鏡BS2后相遇而發生干涉現象.光束分離鏡BS2的輸出為兩束相位相反的疊加光束,并通過光電倍增管(PMT)進行光電轉換.

圖4 紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達系統結構圖(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-曾德爾干涉儀的透過率函數TMZ可表示為[21]

式中,ΔνMZ(=c/(2n×OPD))是與光程差相關的光譜寬度.為了實現對多縱模激光的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射的精細光譜分離,需要設置馬赫-曾德爾干涉儀的光程差,使其自由光譜范圍與激光縱模間隔相一致.馬赫-曾德爾干涉儀光程差的調節需要控制屋脊反射鏡上的壓電陶瓷,進而移動屋脊鏡的位置.光程差的改變會導致相長干涉與相消干涉的變化.當屋脊反射鏡的移動距離為Δd時,光程差的改變量為2Δd,因此在紫外域激光355 nm的測量條件下,每移動177.5 nm相長干涉與相消干涉就會發生一次周期變化.若控制屋脊反射鏡的移動距離在納米級運動,即可實現最佳光程差的調控.

對于具有40cm長度諧振腔的高能量Nd:YAG脈沖激光器來說,其在1cm?1(30 GHz)的輻射線寬內具有80個縱模.由于馬赫-曾德爾干涉儀的輸出是互補型的干涉圓環或者干涉條紋,因此當一路輸出為相長干涉時,另外一路輸出為相消干涉.通過調諧馬赫-曾德爾干涉儀,可以確定分離米散射和瑞利散射的最佳光程差.在調諧過程中,通過包絡分析參考信號(發射激光)來確定最優光程差.當參考信號的一路輸出為最小,另一路輸出為最大時,則每一個激光縱模的中心波長就被鎖定在最優光程差處.在此激光雷達中,光電檢測系統所測量的數據(兩路PMT輸出)分別為激光雷達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與馬赫-曾德爾干涉儀透過率函數的卷積.因此在測量激光大氣回波信號時,其中一路輸出就表現為氣溶膠米散射信號的透過,稱為米通道;而另外一路輸出則表現為對氣溶膠米散射信號的抑制,稱為瑞利通道.圖5為基于馬赫-曾德爾干涉儀的多縱模激光米散射和瑞利散射信號的分離提取原理,其中圖5(a)為瑞利通道透過率函數,圖5(b)為米通道透過率函數.由于馬赫-曾德爾干涉儀雙通道輸出的互補性,因此米通道和瑞利通道信號之和為總的激光雷達回波信號.

圖5 基于馬赫-曾德爾干涉儀的多縱模激光米散射和瑞利散射信號的分離提取技術(a)瑞利通道透過率函數;(b)米通道透過率函數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 氣溶膠光學參量的數據反演

彈性散射激光雷達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)消光中的貢獻時,可表示為

式中,P(r)表示激光雷達的瞬時接收功率,C為激光雷達系統常數,P0為激光峰值發射功率,βa(r)和βm(r)分別表示氣溶膠和大氣分子的后向散射系數,αa(r)和αm(r)分別表示氣溶膠和大氣分子的消光系數.考慮到馬赫-曾德爾干涉儀雙通道輸出的互補性,米通道和瑞利通道的激光雷達方程可以分別表示為

式中,Taa表示米通道的米散射信號透過率,Tam表示米通道的瑞利散射信號透過率,Tma表示瑞利通道的米散射信號透過率,Tmm表示瑞利通道的瑞利散射信號透過率.由于兩個通道是互補輸出的,根據能量守恒定律,在不考慮馬赫-曾德爾干涉儀光學元件對光的吸收以及光能量損耗的情況下,

同時,考慮到大氣分子瑞利散射譜寬遠超過縱模間隔,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-曾德爾干涉儀光學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率(Tam)與瑞利散射通道的瑞利散射透過率(Tmm)相等,即Tam=Tmm=1/2.

若(9)與(10)式相加,則可得到激光雷達總的大氣回波信號,即

若(9)與(10)式相減,則方程可表示為

即激光雷達方程中后向散射系數項中僅留有氣溶膠后向散射項,這與拉曼激光雷達方程的形式非常相似,而拉曼激光雷達的后向散射中僅有大氣分子的貢獻.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,因此還是很難求解得到氣溶膠消光系數.

若(9)與(10)式相比,則方程可表示為

在氣溶膠光學參量研究中,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透過率Taa或者瑞利散射通道的米散射信號透過率Tma可通過理論計算以及實驗的方法測定得到,因此通過馬赫-曾德爾干涉儀互補雙通道信號的比值可以準確反演氣溶膠后向散射比,進而利用(13)和(15)式反演得到氣溶膠后向散射系數和氣溶膠消光系數.

5 系統仿真

為了驗證紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達的探測性能,本文將從氣溶膠光學參量數據反演的逆向出發,在假設氣溶膠后向散射比的情況下,對多縱模高光譜分辨率激光雷達系統進行仿真,分別計算白天條件下米散射通道和瑞利散射通道的信號強度以及信噪比.激光雷達系統仿真參數如表1所列.系統仿真采用激光雷達實測數據的大氣狀態模型,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,圖6(b)表示氣溶膠后向散射比,在5–6 km的高度上,存在一個明顯的氣溶膠/云層,使得氣溶膠的后向散射系數和后向散射比有一個明顯的躍變過程.

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

圖6 系統仿真所用大氣模型(a)氣溶膠和大氣分子后向散射系數;(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.

太陽背景光是全天時激光雷達白天探測的絕對干擾,由于望遠鏡視場角的存在,激光雷達所接收到的太陽背景光Pb計算公式為

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

根據激光雷達方程以及表1所列的激光雷達系統參數,分別計算得到紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達的米散射通道、瑞利散射通道和太陽背景光的信號強度如圖7所示.在氣溶膠/云層存在的地方,激光雷達回波信號的強度有明顯的躍變.

在綜合考慮太陽背景光、PMT本身暗電流等噪音的情況下,分別計算多縱模高光譜分辨率激光雷達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背景光的回波信號強度分布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,n為采樣累積次數,Nb表示太陽背景光Pb在PMT上所產生的光電子數,Nd表示PMT本身的暗電流所產生的暗計數.

紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達的米散射和瑞利散射通道的信噪比計算結果如圖8所示.激光雷達的米散射通道和瑞利散射通道的信噪比在10 km的探測范圍內均大于100,說明系統即使在模擬探測模式下,也可以實現大氣邊界層乃至整個對流層的氣溶膠探測.在氣溶膠/云層存在的高度上,回波信號強度增加,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

從原理上來講,多縱模高光譜分辨率激光雷達利用可調諧的高光譜馬赫-曾德爾干涉儀及其雙通道輸出的互補性,可精細分離提取多縱模激光的氣溶膠米散射信號和大氣分子瑞利散射信號,實現氣溶膠光學特性的精細探測.然而,多縱模高光譜分辨率激光雷達的實現必須要仔細考慮以下兩個因素.1)多縱模脈沖激光縱模模式輸出的穩定性.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,才能實現多縱模激光的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射信號的分離提取.而激光的多縱模模式受激光腔長、工作物質的增益線寬和激勵水平等因素所決定,只有處于增益線寬內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的系統實現需要仔細研究多縱模激光的特性,尤其是脈沖激光的多縱模穩定特性.2)可調諧馬赫-曾德爾干涉儀是分離提取多縱模激光的米散射和瑞利散射信號的關鍵.馬赫-曾德爾干涉儀的輸出穩定性受光束發散角、環境溫度、空氣湍流及機械振動等因素影響,選擇合適的光程差,并合理分析這些因素對馬赫-曾德爾干涉儀透過率曲線的影響,進而分析對氣溶膠測量精度的影響,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系統實現的重要保障.同時在分析干涉儀透過率影響的基礎上,分析氣溶膠測量結果的不確定度,為優化激光雷達系統性能提供可循依據.今后將注重這兩方面的研究工作.

7 結 論

多縱模高光譜分辨率激光雷達是高光譜分辨率激光雷達的一個新概念,其摒棄了傳統的高光譜分辨率激光雷達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光源,利用高光譜的馬赫-曾德爾干涉儀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,進而實現氣溶膠光學參量的精細探測.

本文以典型Nd:YAG固體脈沖激光器為例,精確計算Nd:YAG激光器的多縱模模式,分析其在大氣中傳輸的氣溶膠米散射和大氣分子瑞利散射光譜信號.當激光器諧振腔的有效長度為40cm時,縱模間隔為375 MHz,在1cm?1(30 GHz)的輻射線寬內縱模個數為80個.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產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實現的關鍵.本文采用窄帶干涉濾光片濾除太陽背景光,設計可調諧的馬赫-曾德爾干涉儀分離提取多縱模激光的大氣回波散射信號,并利用馬赫-曾德爾干涉儀雙通道輸出互補性的原理,推導了氣溶膠光學參量的反演過程.系統仿真結果表明,本文所設計的紫外域多縱模高光譜分辨率激光雷達,能夠實現全天時條件下10 km高度范圍內的氣溶膠光學特性精細探測.

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