激光外差光譜儀模擬風場探測*

李竣 薛正躍 劉笑海 王晶晶 王貴師 劉錕 高曉明? 談圖?

1) (中國科學技術大學環境科學與光電技術學院,合肥 230031)

2) (中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所,基礎科學研究中心,合肥 230031)

中高層大氣風場是表征中高層大氣環境的重要參量,對中高層大氣風場的探測在民用和軍用領域有著重要意義.激光外差光譜技術是近年來迅速發展的一種高光譜分辨率和靈敏度的被動式遙感探測技術,以激光外差光譜技術為核心研制的激光外差光譜儀因具有體積小、重量輕、結構穩定等特點,在星載測量中高層風場領域有巨大的潛力和應用前景.激光外差光譜儀的地面風場探測性能驗證是其應用到衛星上的關鍵環節,本文利用實驗室環境下建立的風場模擬裝置實現0—25 m/s 的風速變化,并基于光譜分辨率為0.003 cm—1激光外差光譜儀分別測量了無風速變化和不同風速下的CH4 吸收譜,測量風速的分辨率為3 m/s.使用光纖F-P 干涉儀、波長計和參考池對激光器輸出光頻率進行實時的相對定標和絕對定標.通過計算吸收光譜中心頻率的偏移量,反演得到風場風速,并與風場模擬器風速對比,相對誤差為1.49 m/s.該實驗對激光外差光譜儀測風性能進行有效驗證,證明了使用激光外差光譜儀進行中高層大氣風場測量的可能性.

1 引言

中高層大氣風場是表征中高層大氣環境的重要參量,對于中高層大氣及上下層之間能量和動量的輸運與大氣成分的傳輸都起著巨大作用.研究中高層大氣風場一方面可以增進高空大氣動力學過程認知、改善全球高空風場模型、提升大氣、空間研究能力,另一方面通過測量風速風向變化為航天活動提供安全保障服務.大氣風場的研究還可以提高空間氣象預報能力、改善全球氣候預報能力[1-3].對于中高層大氣風場探測技術而言,被動探測技術可利用高層大氣中存在的氣輝、極光等輻射源獲取風速信息,實現全天風速測量.目前,成熟的星載被動風場探測主要基于干涉測量法,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出的光信號,將其轉化為干涉條紋的變化,從而反演中高層大氣風場參數.Fabry-Perot 干涉測量技術具有高測量精度和高穩定性等優點,但是對標準具制作平整度要求極高,且光通量小、體積大.而Michelson 干涉測量技術采用擴視場技術增加系統的光通量,體積小,但是存在干涉圖采樣點數少(四個相位點)、儀器漂移不能被實時跟蹤等問題.除此之外,動鏡的高精度控制也成為Michelson 干涉儀應用于星載探測的限制因素之一[4-9].這些缺點導致兩種干涉儀應用到衛星平臺上較為困難,想要進一步加強對中高層大氣風場的監測,則需要其他測量方法和儀器加以補充.

激光外差光譜技術是近年來發展迅速的一種高光譜分辨和靈敏度的被動式遙感探測技術,以激光外差光譜技術為核心的激光外差光譜儀具有體積小、重量輕、結構穩定等特點[10-19],在星載測風領域有巨大的潛力和應用前景.20 世紀70 年代美國加利福尼亞大學Townes 最早將激光外差光譜技術應用到行星風探測.1991 年美國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光源,使用紅外外差光譜儀結合麥克馬斯太陽望遠鏡獲取了火星熱層的絕對風速[20].2007 年德國科隆大學使用中紅外波段可調諧CO2激光器作為本振光源,以望遠鏡收集金星大氣層CO2輻射光作為信號光,結合聲光分析儀,對火星赤道風場進行測量[21].若想實現激光外差光譜儀對地球中高層大氣風場的測量,則需要星載儀器在臨邊探測模式下,通過測量中高層大氣的氣體輝光或極光譜線的頻移,反演得到風場信息.發展星載激光外差光譜測風儀的關鍵環節是激光外差光譜儀地面風場探測性能驗證.本文利用實驗室搭建的模擬風場裝置,開展在不同風速條件下的模擬風場探測實驗,通過計算激光外差光譜儀測量的目標譜線的相對頻移量,反演得到風場風速信息.此地面實驗對激光外差光譜儀的測風性能進行了有效評估,驗證了激光外差光譜儀測量大氣風場的可行性.

2 實驗原理

2.1 風場模擬原理

中高層大氣風場探測一般以氣體輝光或極光譜線作為信號光源.在地面進行模擬實驗時,由于背景大氣的散射光掩蓋和對流層O2分子氣體吸收作用,O2輝光不可直接作為信號光源[22].超連續譜光源具有寬光譜范圍和易于準直等特點,是模擬風場探測時的理想信號光源.當環境中存在風場時,信號光源發出的譜線中心頻率會發生頻移[23].風場模擬正是基于這一原理,利用高速電機帶動轉盤運動形成一定速度來模擬大氣環境中的風速,圖1 為風速模擬原理圖.模擬光源經過充滿目標氣體的吸收池后攜帶目標氣體的吸收譜,吸收譜中心頻率為ν0,再垂直入射到轉盤豎直方向點A上.轉盤以轉速Ns勻速轉動,返回光束速度Vre可表示為

圖1 風速模擬原理圖Fig.1.Schematic diagram of wind speed simulation.

其中,r為A點距轉盤中心點的距離,v0為A點的線速度,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發生偏移,偏移量為 Δν:

其中,c為光速.使用斬波器轉盤模擬風速變化,斬波器控制器可實現對斬波器轉盤轉速在0—80 r/s范圍內的精確控制,并且商業斬波器自身結構比較穩定,在較大轉速下仍能保持整個光路的穩定性以及模擬風場風速的精確性.

2.2 激光外差原理

激光外差探測原理在文獻[24-27]中已有詳細描述,假設探測器上接收到的本振光和信號光振幅分別為ALO和AS,相位分別為φLO和φS,即

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

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

外差信號功率可利用射頻功率檢測器進行檢測,在實際探測中,信號平均時間遠大于外差信號的周期,因此其輸出功率正比于差頻電流的平方:

由(6)式可以得到,外差信號功率正比于本振光功率和信號光功率的乘積,攜帶氣體吸收信息的信號光可以通過本振光進行放大,實現弱信號探測.通過改變激光器泵浦電流,使激光器輸出光頻率ωLO覆蓋目標氣體的特征吸收譜線對應的頻率范圍.對不同頻率激光與信號光拍頻得到的外差信號進行歸一化并進行擬合,獲得吸收譜線的中心頻率,計算吸收譜線相對頻移量從而反演得到對應的風速信息.

3 實驗系統及測量結果

實驗裝置示意圖和實物圖如圖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,通過激光控制器對激光器進行控制,激光器輸出波長為1651 nm (6056.935 cm—1),最大輸出功率達20 mW,在溫度為293.6 K 的條件下,泵浦電流在60—100 mA 范圍內變化,激光器輸出范圍為6056.342—6057.334 cm—1.

圖2 實驗裝置示意圖與實物圖.SC-5,超連續譜光源;PD,光電探測器;FC,光纖耦合器;IC,輸入準直器;OC,輸出準直器;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%進入參考通道的50∶50 分束比例的FC3光纖分束器,分別進入到參考吸收池和波長計,進入到參考吸收池的一路用于測量標準參考吸收池內的直接吸收信號,以確定不存在風場時CH4吸收譜的中心頻率,進入到波長計的一路用于波長計定標.耦合到FC2 分束器的光80%耦合到FC4 合束器,與攜帶待測風速信息的超連續譜光在合束器FC4 內進行共線傳輸,進入到探測器PD3 進行拍頻探測.

超連續譜光源(SC-5,安揚激光,輸出光光譜范圍為470—2400 nm)作為信號光源,出射光經過斬波器調制,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速模擬器上,風速模擬器與光路夾角為45°.風速模擬器轉盤直徑為140 mm,最大轉速為100 r/s,通過調節轉盤的轉速可實現0—25 m/s 的風場變化.信號光攜帶的吸收譜經過勻速轉動的轉盤獲得穩定頻移,在逆反射膜上反射,沿原光路返回拋物鏡表面,光路轉折90°.由聚焦透鏡(f=25.4 mm)將信號光耦合進單模光纖,信號光與本振光由光纖耦合器FC4 合束,在光電探測器PD3 進行拍頻.

光電探測器PD3 產生的拍頻信號經射頻電路單元處理.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光譜分辨率,激光信號、背景信號和外差信號的功率譜如圖3 所示.由于激光器驅動電路的干擾,激光信號功率譜在0—100 MHz存在大量噪聲,400—600 MHz 區域內的噪聲由放大器與檢波器等射頻器件導致,外差檢測時需要避開這些區域.在保證外差信號信噪比的條件下,選擇帶通濾波器范圍為225—270 MHz,由此帶來雙邊帶光譜分辨率為90 MHz (0.003 cm—1),此時激光外差光譜儀測風的分辨率為3 m/s.濾波后處于射頻域的信號經檢波器轉化為直流信號,并由鎖相放大器解調,鎖相參考頻率780 Hz,積分時間1 s.

圖3 信號功率譜Fig.3.signal power spectrum.

為實現激光頻率的準確測量和矯正,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)和波長計(Bristol instrumnets,621)對輸出激光實時定標.兩束相同頻率的激光在光纖中傳播,經過光纖FP 干涉儀內的兩根不同光纖產生光程差,合束后入射到光電探測器PD1表面獲得干涉信號.測量激光經過吸收池后的直接吸收光譜,確定CH4的中心線位置,并結合干涉信號數據對輸出激光頻率進行相對定標和絕對定標[26].通過干涉光纖信號的時間掃描如圖4(a)所示,相鄰信號最大值之間的頻譜距離對應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 波長計實時測量的激光器輸出光頻率.

圖4 輸出光波長標定 (a)經過參考池后PD2 探測得到的直接吸收信號(紅色實線),經過干涉光纖后的信號(藍色實線);(b)波長計實時定標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.

外差信號由上述的激光外差系統進行電流逐點步進掃描獲得,如圖5(a)所示.實驗中掃描電流間隔為0.2 mA,采集一組CH4吸收光譜,時間為300 s.圖5(a)中將掃描電流轉換成對應標定波長,對鎖相放大器解調得到的外差信號不含吸收的部分做線性擬合,計算出基線,再做歸一化處理得到吸收譜線信號,表現為透過率譜,如圖5(b)所示.吸收譜線的中心頻率偏移量間接反映了風場風速,當風速模擬器轉盤轉速n=15 r/s,入射點距轉盤中心r=37 mm 時,模擬風場風速為5 m/s,此時CH4氣體吸收光譜的中心頻率頻移量為0.0002 cm—1.圖5(c)為不同轉速條件下歸一化的CH4吸收譜.

圖5 (a) 逐點掃描數據圖;(b) 無風場時吸收譜和存在風場時吸收譜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 實驗結果與分析

分別設置風場模擬器轉盤轉速為0,15,30,45,60,75 r/s,模擬風速采用(1)式計算獲取,對應模擬風場風速分別為0,5,10,15,20,25 m/s.圖6(a)為在不同風速下對激光外差光譜儀測量得到的CH4吸收光譜的擬合.將測量得到的中心頻率的頻移量代入(2)式計算,得到對應轉速下實際測量得到的風場風速.圖6(b)為模擬風速和測量風速隨著轉盤轉速變化的關系圖以及兩者的誤差.可以看出,在低的風速條件下,由于低風速引起的譜線多普勒頻移量小,擬合引入的誤差較大.當風場模擬器轉盤高轉速運行時,系統仍能保持穩定,模擬風場的風速變大,吸收譜線的中心頻移量大,此時反演誤差相對較小,整體測量的相對誤差為1.49 m/s.

圖6 (a) 擬合吸收譜;(b) 測量結果Fig.6.(a) Fitted absorption spectrum;(b) inversion result.

5 結論

在實驗室環境下建立了一套穩定且風速、風向可控的模擬實驗裝置,風速在0— 25 m/s 范圍內可調.利用光譜分辨率為0.003 cm—1的激光外差光譜儀測量超連續譜光源照射在風速模擬器后發生多普勒頻移的CH4吸收譜,使用光纖式F-P 干涉儀、參考池和波長計對激光器頻率進行定標,測得了間隔5 m/s 的風速變化的多普勒激光外差光譜,相對誤差為1.49 m/s.實驗室驗證了激光外差光譜儀測量風速的可行性,為進一步開展激光外差光譜測量高層大氣風場及發展星載激光外差測風光譜儀奠定了基礎.