連續(xù)波差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)路徑大氣CO2平均濃度

洪光烈，梁新棟，2，劉 豪*，章樺萍，2，舒 嶸，2

1. 中國(guó)科學(xué)院空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)探測(cè)大氣二氧化碳濃度，這一課題比較早受到科學(xué)家們的重視，尤其在NASA Langley Research Center的Koch G J, Barnes B W, Petros M等科學(xué)家發(fā)明了Ho∶Tm∶YLF全固態(tài)激光器和InGaAsSb光電二極管之后，在國(guó)際上形成了2.05 μm差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)對(duì)流層二氧化碳廓線的研究熱點(diǎn)[1]； 然而，研究表明大氣在2.05 μm波段的后向散射截面較小，具有距離分辨的廓線探測(cè)是十分困難的[2]，在1.57 μm波段，也存在大氣后向散射信號(hào)較弱、光子計(jì)數(shù)噪聲大、信噪比低等問(wèn)題[3-4]。 因此，有些科學(xué)家轉(zhuǎn)向以硬目標(biāo)反射光作為回波的路徑積分式差分吸收激光雷達(dá)(IPDA)探測(cè)對(duì)流層二氧化碳的柱濃度的研究[5-8]，如NASA Goddard Space Flight Center的科學(xué)家James B Abshire, Haris Riris等，為ASCENDS(Active Sensing of CO2Emission over Nights, Days and Seasons)計(jì)劃進(jìn)行了以高重頻激光脈沖、機(jī)載路徑積分差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)垂直二氧化碳柱濃度的實(shí)驗(yàn)[9-11]； 2015年，德國(guó)A.Amediek等在CHARM-F (CO2and CH4Remote Monitoring Flugzeug)計(jì)劃支持下，研制了基于種子注入光參量振蕩器(OPO)的1.57和1.645 μm脈沖路徑積分差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)[12]，并且實(shí)現(xiàn)了機(jī)載垂直方向大氣二氧化碳和甲烷柱濃度的測(cè)量。 Amediek等提出利用Nd∶YAG激光器泵浦的種子注入式KTP-OPO作為發(fā)射機(jī)，其中探測(cè)波長(zhǎng)的種子光利用36 m的(CO2/20 hPa, CH4/6 hPa)氣體池進(jìn)行穩(wěn)頻。 通過(guò)高速光開關(guān)輪流把探測(cè)波長(zhǎng)on-line和參考波長(zhǎng)off-line的種子光切換至OPO諧振腔內(nèi)，經(jīng)過(guò)OPO變換后的1.57 μm/1.645 μm激光脈沖(10 mJ/50 Hz)垂直發(fā)射到地面，利用PIN探測(cè)器和APD探測(cè)器接收反射光信號(hào)來(lái)測(cè)量大氣甲烷和二氧化碳柱濃度，測(cè)量結(jié)果表明其測(cè)量精度在1%以下； 以Shumpei Kameyama, Masaharu Imaki, Yoshihito Hirano, Shinichi Ueno, Shuji Kawakami, and Masakatsu Nakajima等日本科學(xué)家為代表，2008年報(bào)道了他們的1.6 μm連續(xù)波調(diào)制地基差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)。 日本學(xué)者提出的正弦波強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)波差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)原理框架： 兩個(gè)DFB半導(dǎo)體激光器的工作波長(zhǎng)分別通過(guò)二氧化碳吸收池和偏頻鎖相環(huán)PLL鎖定在1 572.992和1 573.137 nm，且激光強(qiáng)度通過(guò)鋰酸鈮波導(dǎo)電光強(qiáng)度調(diào)制器(EOM)以fm1和fm2的頻率正弦調(diào)制，被調(diào)制的連續(xù)激光在同一根單模光纖合束，再被摻鉺光纖放大器放大。 放大后的光功率大部分發(fā)射到大氣中，小部分功率被取樣用于監(jiān)測(cè)，被發(fā)射的光穿過(guò)空氣柱打在硬目標(biāo)上，由硬目標(biāo)反射回來(lái)的光沿原路徑返回到接收望遠(yuǎn)鏡被探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將回波信號(hào)和監(jiān)視端信號(hào)做快速傅立葉變換(FFT)，就可以把頻率fm1功率譜和頻率fm2功率譜分離出來(lái)，它們分別代表著往返空氣柱中的1 572.992 nm探測(cè)光分量和1 573.137 nm參考光分量的強(qiáng)度。 根據(jù)online/offline兩波長(zhǎng)的光束在發(fā)射機(jī)與硬目標(biāo)之間來(lái)回的光吸收差異來(lái)獲取自發(fā)射機(jī)到硬目標(biāo)這段距離內(nèi)的水平空氣柱二氧化碳平均濃度，外場(chǎng)測(cè)量評(píng)價(jià)激光雷達(dá)水平和垂直CO2混合比精度分別為0.49%和1.7%。 水平積分路徑2.1 km和垂直積分路徑到達(dá)云底表面3 km，對(duì)應(yīng)信號(hào)累積時(shí)間25 min。 沿觀測(cè)路徑用多點(diǎn)在線傳感器互補(bǔ)測(cè)量，表明激光雷達(dá)水平CO2密度誤差在2.8 ppm之內(nèi)[12-14]。

為探測(cè)火星大氣的密度做前期的準(zhǔn)備，我們也進(jìn)行了地基連續(xù)波調(diào)制路徑積分差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)地球邊界層大氣二氧化碳柱濃度的研究[15-16]。 鑒于電光調(diào)制器的偏置電壓易發(fā)生變化、不穩(wěn)定等因素造成強(qiáng)度調(diào)制度的變化，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，因此，我們采用聲光調(diào)制器代替鈮酸鋰的波導(dǎo)電光調(diào)制器。 采用調(diào)制光譜技術(shù)以及對(duì)殘余幅度調(diào)制的抑制實(shí)現(xiàn)On-line光源激光波長(zhǎng)的精確鎖定。 此外，連續(xù)波差分吸收激光雷達(dá)同時(shí)采用相位測(cè)距方法獲得路徑長(zhǎng)度，使得系統(tǒng)更為緊湊。 介紹路徑積分差分吸收激光雷達(dá)的探測(cè)原理，差分吸收激光雷達(dá)的組成及On-line光源激光頻率鎖定單元和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。

1 路徑積分差分吸收激光雷達(dá)(IPDA)的探測(cè)原理

路徑積分差分吸收激光雷達(dá)的光束照射硬目標(biāo)表面的足印千變?nèi)f化，可以是草原、沙地、海面、墻壁等，其反射系數(shù)不同，回波光信號(hào)隨不同反射系數(shù)變化不定； 以相同的路徑，同時(shí)發(fā)射探測(cè)光束(On-line)和參考光束(Off-line)，可以認(rèn)為它們照射硬目標(biāo)的足印相同。 式(1)和式(2)分別為On-line和Off-line回波強(qiáng)度。

(1)

(2)

(3)

式中Son為On-line波長(zhǎng)硬目標(biāo)回波強(qiáng)度；Soff為Off-line波長(zhǎng)硬目標(biāo)回波強(qiáng)度；P為發(fā)射功率。 雙波長(zhǎng)吸收截面差Δσ和空氣分子密度Nair都與大氣壓強(qiáng)和溫度參數(shù)有關(guān)，大氣壓強(qiáng)和溫度可通過(guò)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)和氣體狀態(tài)方程求得； 距離R可用相位測(cè)距方法獲得；i表示累加后求對(duì)數(shù)；qCO2的單位是相對(duì)混合比ppm。

在大氣二氧化碳吸收譜當(dāng)中，1 568～1 590 nm波段與1 598～1 620 nm波段二氧化碳吸收系數(shù)非常近似，而且1 568～1 575和1 598～1 605 nm波段的二氧化碳吸收譜比較窄，此時(shí)吸收峰的波長(zhǎng)和吸收峰邊上的吸收谷波長(zhǎng)非常接近，即On-line和Off-line的波長(zhǎng)差很小，有利于減小系統(tǒng)因波長(zhǎng)差異帶來(lái)的誤差。 InGaAs/InP PIN光電探測(cè)器在1.3～1.6 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有更高的探測(cè)效率，因此選取1 568～1 575 nm波段作為探測(cè)波段； 該波段另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是水汽影響明顯較小，從圖1可以看出，1 572.335 nm是該波段二氧化碳吸收系數(shù)最大的吸收峰，并且此時(shí)水汽的吸收系數(shù)較小，而旁邊的吸收谷1 572.180 nm處的水汽吸收系數(shù)和1 572.335 nm處相當(dāng)，這樣差分吸收系統(tǒng)可以抵消水汽吸收對(duì)系統(tǒng)的影響，所以選取On-line波長(zhǎng)為1 572.335 nm和Off-line波長(zhǎng)為1 572.180 nm； 此外，二氧化碳譜線的選擇還需要考慮溫度和壓強(qiáng)的影響，1 572.335 nm具有很小的溫度系數(shù)[17]。 圖2為更為精細(xì)的1 572.335 nm附近的水汽和二氧化碳吸收系數(shù)對(duì)比圖。

圖1 水汽和二氧化碳在1 570～1 574 nm的吸收系數(shù)對(duì)比圖Fig.1 Comparison of absorption coefficients of H2O and CO2 at 1 570～1 574 nm

圖2 水汽和二氧化碳在1 572.335 nm附近的吸收系數(shù)對(duì)比圖Fig.2 Comparison of absorption coefficients of H2O and CO2 at 1 572.335 nm

2 路徑積分差分吸收激光雷達(dá)(IPDA)系統(tǒng)

如圖3所示為系統(tǒng)組成框圖，表1為系統(tǒng)主要參數(shù)。 On-line和off-line兩路激光首先要經(jīng)過(guò)正弦信號(hào)的調(diào)制，兩路調(diào)制信號(hào)頻率有細(xì)微差別。 正弦調(diào)制方法的參數(shù)需要精心選擇： 既要考慮測(cè)距精度的需求，也要考慮系統(tǒng)帶寬要求； 同時(shí)調(diào)制頻率間的差距應(yīng)該盡量小，以消除調(diào)制頻率差異帶來(lái)其他的系統(tǒng)誤差。 綜合以上因素考慮，選擇On-line光源強(qiáng)度調(diào)制頻率為101.8 kHz，Off-line光源強(qiáng)度調(diào)制頻率為99.7 kHz，調(diào)制波由直接數(shù)字頻率合成器DDS(direct digital synthesis)生成，調(diào)制后的On-line和Off-line激光通過(guò)光纖耦合器耦合為一路光，耦合后的光經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器(EDFA)放大。 經(jīng)過(guò)分光光路，其中99%的激光被發(fā)射出去打在硬目標(biāo)上，另外1%的激光作為監(jiān)視信號(hào)。 硬目標(biāo)反射的光由牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡接收并被光電探測(cè)器探測(cè)，雙通道采集卡采集回波信號(hào)和監(jiān)視端信號(hào)，將采集所得到的數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)(PC)中進(jìn)行FFT變換，通過(guò)調(diào)制信號(hào)的功率譜得到幅頻信息和相頻信息，通過(guò)相位測(cè)距原理和差分激光雷達(dá)方程(3)就可以反演出光路路徑上的二氧化碳平均濃度。 利用C++軟件開發(fā)上位機(jī)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)處理以及顯示和存儲(chǔ)，具有時(shí)間軸險(xiǎn)示、數(shù)據(jù)采集飽和預(yù)警的功能，對(duì)參數(shù)修改后，該軟件也能適用于探測(cè)其他氣體濃度的連續(xù)波差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)。

圖3 連續(xù)波差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)框圖Fig.3 Continuous-wave modulation hard-target differential absorption lidar system

表1 差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters of DIAL system

精確的控制On-line激光光源頻率是差分吸收激光雷達(dá)中一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，受工作環(huán)境條件等影響，激光輸出頻率往往是隨時(shí)間起伏變化的。 我們利用頻率調(diào)制光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)On-line光源激光頻率的鎖定，穩(wěn)頻系統(tǒng)框架如圖4。 連續(xù)波半導(dǎo)體激光器輸出的激光由光纖分束器分束，70%部分用于IPDA的發(fā)射光源，30%的部分用于頻率鎖定單元。 進(jìn)入頻率鎖定單元的激光首先由電光相位調(diào)制器(EOM)進(jìn)行相位調(diào)制，然后由光纖分束器分光。 經(jīng)過(guò)相位調(diào)制的70%的光進(jìn)入充滿CO2的氣體池(T=300 K/P=0.15 atm/L=12 cm)，剩余部分由光電探測(cè)器直接探測(cè)。 相位調(diào)制在光譜中產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱的邊帶，如果波長(zhǎng)從吸收線中心偏移，這些邊帶在CO2氣體池中被非對(duì)稱地吸收，這種不對(duì)稱的吸收產(chǎn)生激光的強(qiáng)度調(diào)制，因此，監(jiān)測(cè)到的信號(hào)具有調(diào)制分量。 經(jīng)過(guò)鎖相放大和A-D轉(zhuǎn)換后得到的調(diào)制幅度作為伺服控制系統(tǒng)的誤差信號(hào)輸入，伺服控制系統(tǒng)控制半導(dǎo)體激光器(DFB)的驅(qū)動(dòng)電流，使得誤差信號(hào)幅度為零，最終On-line激光器的波長(zhǎng)鎖定在CO2氣體池吸收峰： 1 572.335 nm。

如果相位調(diào)制器(EOM)對(duì)On-line激光是純相位調(diào)制，這個(gè)系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)精確頻率鎖定的； 然而，當(dāng)入射EOM上的激光不是線性偏振或激光的偏振方向與電光晶體的主軸不完美對(duì)準(zhǔn)，以及晶體的表面與其他光學(xué)元件的表面之間形成的F-P效應(yīng)，以上這些因素都會(huì)導(dǎo)致EOM產(chǎn)生與調(diào)制頻率相同的殘余幅度調(diào)制(RAM)[18]。 RAM與本振調(diào)制信號(hào)混頻、解調(diào)后會(huì)使誤差信號(hào)發(fā)生直流偏置，造成波長(zhǎng)鎖定錯(cuò)誤； 更糟糕的是，由于殘余幅度調(diào)制會(huì)隨著溫度、振動(dòng)等因素作無(wú)規(guī)則抖動(dòng)，因此帶來(lái)的誤差信號(hào)的直流偏置也會(huì)隨時(shí)間作無(wú)規(guī)則起伏，而波長(zhǎng)鎖定系統(tǒng)無(wú)法將這個(gè)無(wú)規(guī)則起伏的直流偏置信號(hào)與激光頻率變化引起的誤差信號(hào)區(qū)分開來(lái)，伺服系統(tǒng)誤以為激光頻率發(fā)生了漂移，會(huì)錯(cuò)誤地改變激光的頻率。 因此，在圖4中可以看到，我們將經(jīng)過(guò)EOM調(diào)制后的光一部分直接由探測(cè)器探測(cè)，探測(cè)器輸出即RAM信號(hào)，將探測(cè)器輸出的RAM信號(hào)與本振混頻然后低通濾波得到RAM的幅度，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)給EOM施加一個(gè)反饋直流偏置電壓，將RAM的幅度鎖定在零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的精確鎖定。

圖4 On-line光源激光器頻率鎖定單元系統(tǒng)框圖Fig.4 Configuration of the wavelength locking unit for the On-line wavelength

圖5是由HighFinesse公司的WS-6波長(zhǎng)計(jì)測(cè)得的On-line光源激光波長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果顯示： 經(jīng)過(guò)頻率穩(wěn)定系統(tǒng)后On-line激光器波長(zhǎng)在12 h內(nèi)均方根誤差為0.05pm，只有CO2吸收譜線寬度(P=1 atm，T=296 K)的0.1%。 即使對(duì)于1 ppm的系統(tǒng)精度來(lái)說(shuō)，On-line光源激光波長(zhǎng)均方根誤差0.05 pm在估計(jì)CO2吸收系數(shù)誤差時(shí)是可以忽略的。 Off-line光源激光波長(zhǎng)即使在沒(méi)有任何穩(wěn)定措施時(shí)波長(zhǎng)的均方根誤差值仍小于0.4 pm，這對(duì)系統(tǒng)測(cè)量的誤差貢獻(xiàn)可以忽略。

搭建完成的連續(xù)波調(diào)制差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)包括on波長(zhǎng)單縱模激光器及其鎖頻單元，off波長(zhǎng)單縱模激光器，2個(gè)聲光調(diào)制器(AOM)，DDS調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(ADS9959)，保偏合束器，摻鉺光纖放大器，內(nèi)置分光片的耦合器，光纖準(zhǔn)直器，牛頓反射式望遠(yuǎn)鏡，2個(gè)光電探測(cè)器和采集卡。 其中激光器為自行研制的具有恒流源和溫度補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體激光器模組，波長(zhǎng)控制精度達(dá)到0.4 pm； 電光強(qiáng)度調(diào)制器(EOM)的直流偏置電壓不穩(wěn)，并且電光調(diào)制器對(duì)溫度更加敏感，因此用1 550 nm波段的保偏AOM取代EOM進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。 DDS信號(hào)發(fā)生器為自行研制直接數(shù)字頻率合成器，能產(chǎn)生可調(diào)制的具有一定直流偏置的正弦信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)AOM； 保偏合束器為30∶70的單模保偏光纖耦合器； 摻鉺光纖放大器的型號(hào)是EDFA-BA-33-B-1573，最大輸出功率為5 W； 準(zhǔn)直器是THORLABS公司生產(chǎn)的1 550 nm單模尾纖GRIN光纖準(zhǔn)直鏡，發(fā)散角為0.57 mrad； 光電探測(cè)器是帶寬模尾纖GRIN光纖準(zhǔn)直鏡，發(fā)散角為0.57 mrad； 光電探測(cè)器是帶寬1 MHz、具有500 mV·W-1探測(cè)率的InGaAs探測(cè)器； 采集卡是自行研制的采樣率15 MHz，分辨率16 bit的雙通道AD采集卡； 分束片式耦合器分束比為1∶99，對(duì)偏振不敏感。

圖5 On-line光源激光器頻率穩(wěn)定測(cè)量結(jié)果Fig.5 Measured On-line laser frequency stability

3 路徑積分差分吸收激光雷達(dá)(IPDA)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量

北京時(shí)間2019年11月6日14時(shí)到2019年11月7日14時(shí)，利用路徑積分差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)在上海市虹口區(qū)進(jìn)行了24 h對(duì)外探測(cè)二氧化碳實(shí)驗(yàn)，圖6中紅色箭頭直線為探測(cè)路徑，反射目標(biāo)為距離激光雷達(dá)1 369 m處的高樓外墻表面，取測(cè)量平均時(shí)間為30 s。 與此同時(shí)，我們?cè)诩す饫走_(dá)探測(cè)路徑上使用LI-7500A二氧化碳點(diǎn)探測(cè)器觀測(cè)作為對(duì)比數(shù)據(jù)。 圖7為差分吸收激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與點(diǎn)探測(cè)器LI-7500A的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)激光雷觀測(cè)的數(shù)據(jù)在一天內(nèi)二氧化碳濃度的變化范圍為420～480 ppm，短時(shí)間內(nèi)的測(cè)量波動(dòng)在4 ppm(rms)左右，一天中二氧化碳濃度最高值出現(xiàn)在凌晨一點(diǎn)前后，最低值在午后兩點(diǎn)左右，符合二氧化碳日變化的規(guī)律。

圖6 2019年11月6日—7日激光雷達(dá)探測(cè)路徑，路徑包括公園，居民區(qū)以及一條交通干道

激光雷達(dá)與LI-7500A點(diǎn)探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)在日變化趨勢(shì)上趨于一致。

圖7 2019年11月6日—7日激光雷達(dá)與點(diǎn)探測(cè)器探測(cè)的二氧化碳水平柱濃度

4 結(jié) 論

研制了正弦調(diào)制連續(xù)波差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了聲光器件代替電光器件對(duì)連續(xù)波光發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，并且復(fù)合了光強(qiáng)調(diào)制波的相位測(cè)距儀的功能。 基于光譜調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)On-line激光頻率精確鎖定在CO2吸收峰上，提高了系統(tǒng)測(cè)量精度。 系統(tǒng)可以用于連續(xù)穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)大氣二氧化碳柱濃度，同時(shí)可以測(cè)量硬目標(biāo)的距離。 實(shí)驗(yàn)獲得了上海地區(qū)水平方向上連續(xù)的二氧化碳柱濃度日觀測(cè)結(jié)果，短時(shí)間測(cè)量精度達(dá)到4 ppm，日變化趨勢(shì)與點(diǎn)探測(cè)器LI-7500的同期測(cè)量的數(shù)據(jù)相吻合。 之后將展開連續(xù)多日的強(qiáng)化觀測(cè)，同時(shí)更為細(xì)致的研究系統(tǒng)的信噪比以及散斑等因素對(duì)測(cè)量精度的影響。