全光纖雙通道大氣溫室氣體激光外差光譜探測技術(shù)研究

王晶晶，談 圖，王貴師，朱公棟，薛正躍，李 竣，劉笑海，高曉明

1.中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院安徽光學精密機械研究所，安徽 合肥 230031 2.中國科學技術(shù)大學，安徽 合肥 230026

引 言

為應對全球氣候變化，加深對氣候變化事實和規(guī)律的科學認識，以及對氣候變化影響的評估，迫切需要對CO2和CH4等大氣溫室氣體進行長期連續(xù)觀測。目前，國際上主要的觀測網(wǎng)絡(Network for the Detection of Atmospheric Composition Change，Total Carbon Column Observing Network等)都是采用高分辨率的傅里葉變換光譜儀獲取太陽光譜進而反演溫室氣體的垂直分布[1]。測量結(jié)果與現(xiàn)有的地面測量結(jié)果相結(jié)合，將改善對溫室氣體表面通量的估計，同時可用于與衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行相互驗證。然而其體積較大，價格昂貴，所以導致其觀測網(wǎng)絡比較稀疏，需要其他測量手段和方法進行補充。激光外差輻射計(laser heterodyne radiometer,LHR)不僅體積小、成本低，而且光譜分辨率高，可在全球范圍內(nèi)建立更多的大氣溫室氣體觀測點[2]。研究表明，利用LHR填補已有的地面觀測網(wǎng)絡和空間觀測遺留的觀測地理區(qū)域，可減少對北極和熱帶系統(tǒng)碳通量估計的不確定性[3]。

自20世紀中葉，激光外差輻射計就已經(jīng)用于地球大氣中CO2和O3等氣體的觀測。近二十年來，隨著半導體激光器和高速光電探測器的成熟，激光外差技術(shù)又有了快速的發(fā)展。Weidmann等利用外腔量子級聯(lián)激光器建立的中紅外激光外差測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大氣中CH4，CO2，H2O，O3，N2O等多種溫室氣體的測量[4-5]。美國NASA Wilson等利用小型的分布反饋式(distributed feedback,DFB)激光器建立了全光纖近紅外激光外差測量系統(tǒng)，獲取了大氣中CH4與CO2的吸收光譜同時對裝置進行了集成化設計[6-7]。Alexander等利用平衡探測器建立激光外差測量系統(tǒng)獲取了大氣中CH4與CO2的吸收光譜[8]。國內(nèi)，安徽光機所也開展了以外腔量子級聯(lián)激光器與帶間級聯(lián)激光器為本振光源的自由空間結(jié)構(gòu)激光外差光譜技術(shù)的研究[9]，得到了CH4與H2O的吸收光譜，分辨率達到0.003 3 cm-1。近年來成本低的DFB激光器、光纖技術(shù)及其應用產(chǎn)品的發(fā)展使得1.5 μm附近光譜區(qū)域的氣體傳感器[10-11]得到開發(fā)與應用，這非常適合于近紅外波段激光外差裝置的系統(tǒng)集成。在目前工作的基礎(chǔ)上，利用光纖光開關(guān)對信號光能量進行了分割和調(diào)制，實現(xiàn)了雙波段激光外差光譜的同時測量，彌補了DFB激光器工作波長范圍窄的限制，為構(gòu)建多分子、多波段激光外差光譜同時測量的緊湊型系統(tǒng)提供了思路。

1 激光外差探測基本原理

激光外差探測原理在文獻[12]中已有詳細描述，簡而言之就是兩束振幅與頻率分別為As與νs，ALO與νLO且在空間上偏振狀態(tài)完全重合的兩束單色光，同時照射到高速光電探測器表面，探測器中所產(chǎn)生的總光電流理論值可表示為

(1)

其中κ為探測器響應的比例常數(shù)。式中前兩項表示直流分量iDC，最后一項表示差頻分量iIF，利用直流分量將差頻分量表示為

(2)

當本振光強度遠遠大于信號光強度時，差頻分量可以重新表示為

(3)

其中，νIF為兩激光的差頻，差頻分量即拍頻信號經(jīng)過功率檢波后，其功率可以表示為

(4)

其中Ps，PLO分別是信號光與本振光的輻射功率。從式(4)可以看出，拍頻信號的功率與此頻率上的本振光功率與信號光功率成正比，在信號光功率較弱時其攜帶的光強信息可以通過本振光進行放大。當激光外差系統(tǒng)用于實際大氣探測時，信號光是攜帶與大氣相互作用信息的非相干寬帶熱輻射(太陽光)，則太陽光與本振光的拍頻信號可看作由無數(shù)個不同狀態(tài)的單色光與本振光拍頻信號的疊加。拍頻信號在時域上表現(xiàn)為隨機信號，功率譜密度與信號光的光譜信息直接相關(guān)。實際測量時由拍頻信號的功率譜反推出信號光的光譜信息，實現(xiàn)光譜檢測。

2 實驗部分

高光譜分辨率雙通道近紅外激光外差輻射計原理圖如圖1所示。實驗中，使用兩個蝶形封裝的DFB激光器(中心波長分別為1 650.9和1 603.6 nm)作為本振光源，分別用于對大氣中CH4和CO2吸收光譜的測量。激光的波長由計算機通過激光二極管控制器(laser diode driver,LDC3724)進行步進掃描，同時由光纖分束器(fiber splitter,FS1,FS2)分出部分激光，利用波長計(wavelength meter,Bristol 621b)同步記錄波長實際值。

圖1 雙通道近紅外激光外差輻射計原理圖Fig.1 Schematic diagram of dual-channel near-infrared LHR

用于大氣吸收光譜實際測量的信號光由自制的太陽跟蹤儀(Sun tracker)獲取，太陽跟蹤儀采用視日軌跡跟蹤和光電成像跟蹤相結(jié)合的方法將收光鏡頭(F810 FC/APC)指向太陽，收集直射的太陽光，如圖2(a)所示。收集到的太陽光通過單模光纖(single mode fiber,SMF，5 m)連接到1×2的光纖光開關(guān)(fiber optic switch)如圖2(b)所示，信號光經(jīng)過光纖光開關(guān)后被分為兩束時序上互斥的調(diào)制信號[如圖2(c)所示]，兩通道輸出的光強度相近，信號調(diào)制比可以達到90%以上。信號的調(diào)制頻率和占空比可以通過光纖光開關(guān)驅(qū)動電路進行調(diào)節(jié)，本文中所用調(diào)制頻率為125 Hz，占空比為50%。

圖2 (a)太陽跟蹤儀；(b)光纖光開關(guān)；(c)光開關(guān)輸出信號Fig.2 (a) Sun tracker;(b) Fiber optic switch;(c) Optical switch output signal

利用光纖分束器(fiber splitter,FS3)對光纖光開關(guān)的其中一路輸出進行分束，分束后的一束太陽光由光電探測器(detector,PDA20CS2)進行實時監(jiān)測太陽光強度的相對變化，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。光纖光開關(guān)輸出的太陽光與兩本振激光分別在兩個光纖合束器(fiber combiner,FC1,FC2)中實現(xiàn)合束，光纖合束器的輸出分別由兩個高速光電探測器(photodetector-DET08CFC/M:PD1,PD2)檢測，進而產(chǎn)生光電流信號。

光電流信號輸入到自制的處理電路(processing circuit)中進行處理，處理電路的功能主要包括阻抗匹配、電流電壓轉(zhuǎn)換、放大、濾波、功率檢測等，最終輸出一系列與拍頻信號功率成比例與太陽光調(diào)制信號頻率相同、相位同步的電壓信號(矩形波序列)。因此電壓信號可以利用鎖相放大器(lock in amplifier-SR830，LIA)進行解調(diào)，解調(diào)參考信號來源于太陽光調(diào)制信號。測量時，程序等間隔地掃描激光二極管的注入電流，同時通過數(shù)據(jù)采集卡(DAQ:NI-usb6366)采集太陽光相對強度的監(jiān)測信號、兩路直流信號(DC1，DC2)與兩路解調(diào)得到的激光外差信號(heterodyne signal,HS1，HS2)，并通過波長計記錄相應的波數(shù)。當激光的波長掃描覆蓋目標分子的特征吸收峰后，則得到相應的吸收光譜。

3 結(jié)果與討論

3.1 儀器函數(shù)

獲取裝置測量的原始外差信號后，由于檢測系統(tǒng)的儀器函數(shù)會對大氣中氣體真實吸收光譜的測量產(chǎn)生影響，因此需要分析該系統(tǒng)的儀器函數(shù)用于下一步的數(shù)據(jù)分析。實驗中，本振光的波長掃描采用逐點步進的方式，所以系統(tǒng)的儀器函數(shù)主要由系統(tǒng)各部分的電子信號響應帶寬決定。當利用太陽光作為信號光進行激光外差實驗時，產(chǎn)生的拍頻電信號是一個寬帶信號，在探測器的整個電子帶寬(0～2 GHz)范圍內(nèi)都有近似均勻的能量分布。在實際測量中，由于電子噪聲的存在與測量光譜分辨率的要求，需要用射頻電子濾波器設定一個合適的探測頻段。

使用頻譜分析儀(Agilent Technologies CXA Signal Analyzer N900A)分析了系統(tǒng)的電子噪聲特性。對其中一個通道的射頻信號功率的測量結(jié)果如圖3(a)所示。圖中曲線1是高速光電探測器在無任何光信號輸入情況下的功率譜；曲線2與3是分別只輸入太陽光或激光情況下對應的功率譜；曲線4是向高速光電探測器中同時輸入激光與太陽光對應的功率譜。通過比較曲線1，2，3和4可以看出，系統(tǒng)的噪聲主要由激光引起，分布在0～200 MHz頻段。曲線4上有些區(qū)域存在的較大尖峰是由激光器的驅(qū)動電路或者環(huán)境干擾引起，外差檢測時需要避開這些噪聲較大的區(qū)域。曲線5是利用濾波器限定了探測頻段(330～375 MHz)后的結(jié)果，選擇了噪聲較低的區(qū)域。

根據(jù)激光外差原理與功率譜響應函數(shù)得到了本裝置的兩個測量通道的儀器函數(shù)如圖3(b)所示，實測雙邊帶帶寬為132.6 MHz?？梢钥闯鰞赏ǖ赖膬x器函數(shù)基本一致，由此得到測量對應的光譜分辨率都為0.004 42 cm-1。

圖3 (a)射頻信號功率譜;(b)儀器函數(shù)Fig.3 (a) RF signal power spectrum;(b) Instrument functions

3.2 吸收光譜波長標定

利用雙通道激光外差測量裝置在合肥地區(qū)進行了實際測量，得到如圖4(a)和(b)所示的CH4與CO2的外差吸收信號。圖中外差信號的獲取分為兩段，第一段(0～20 mA)記錄了激光在出光過程中的外差信號，包含了探測系統(tǒng)的背景，第二段 (30～110和60～100 mA)在激光輸出穩(wěn)定情況下，記錄激光波長掃描覆蓋氣體吸收線及其附近區(qū)域的吸收信號。第二段中，在得到每一個外差信號時，同時記錄對應的激光波數(shù)，利用實時的測量數(shù)據(jù)對檢測到的外差信號進行波長標定。激光器二極管注入電流的步進間隔是0.1 mA，對應的波數(shù)變化小于0.004 cm-1。兩激光波數(shù)與注入電流的關(guān)系曲線如圖4(c)和(d)所示。對CH4分子檢測的激光波數(shù)掃描范圍是1.83 cm-1,對CO2分子檢測的激光波數(shù)掃描范圍是0.97 cm-1，分別覆蓋了CH4@6 057.079 5 cm-1和CO2@ 6 236.036 9 cm-1的吸收峰。

圖4 (a) CH4吸收的外差信號；(b) CO2吸收的外差信號;(c) CH4測量激光波數(shù)與注入電流關(guān)系曲線； (d) CO2測量激光波數(shù)與注入電流關(guān)系曲線Fig.4 (a) Heterodyne signal absorbed by CH4;(b) Heterodyne signal absorbed by CO2;(c) Relation curve between laser wavenumber and injection current for CH4 measurement;(d) Relation curve between laser wavenumber and injection current for CO2 measurement

3.3 大氣透過率光譜

實驗過程中，積云對太陽光的遮擋會使外差信號減小甚至減小到零，因此需要監(jiān)測太陽光強度的變化，以降低云的干擾。以一次光譜采集過程中太陽光強度波動不超過其平均強度的10%為標準來篩選出有效的外差信號。從圖4(a)和(b)看出，測量信號存在不同的背景值，因此需要將背景值扣除之后利用一次多項式擬合吸收光譜基線，再做歸一化處理。對兩吸收光譜進行波長標定后，得到如圖5(a)和(b)所示的大氣中CH4與CO2的整層大氣透過率譜，氣體吸收峰位置與Hitran數(shù)據(jù)庫中的吸收線位置相一致。

圖5(a)中，由于甲烷最強吸收線右側(cè)存在另外三條較強的甲烷吸收線(間隔約0.01 cm-1)，因此甲烷吸收峰不對稱，最強吸收偏左。透過率譜中同時記錄的CO2吸收峰(6 056.508 cm-1)表現(xiàn)出雙峰現(xiàn)象，太陽發(fā)射光譜[13]位置(6 056.636 cm-1)與FTIR測量數(shù)據(jù)中的位置相同。甲烷氣體對太陽光波數(shù)在6 057.079 5 cm-1處測量的吸收信號的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)為197，二氧化碳弱吸收線處吸收光譜的SNR為35，太陽譜檢測的SNR為44。圖5(b)中的大氣CO2透過率譜也呈現(xiàn)出雙峰現(xiàn)象，二氧化碳強吸收線6 236.036 9 cm-1處吸收光譜的SNR為209。

圖5 (a)大氣中CH4的透過率譜； (b)大氣中CO2的透過率譜Fig.5 (a) Transmission of CH4 in the atmosphere; (b) Transmission of CO2 in the atmosphere

由于平流層的大氣壓力低，因此大氣中二氧化碳對太陽光吸收的真實吸收光譜線寬較窄。實驗中利用的窄帶濾波器提高了儀器的光譜分辨率，因此當大氣中的氣體吸收線寬窄于帶通濾波器的帶寬且小于帶通濾波器的低頻截止頻率時，根據(jù)激光外差原理，測量光譜中將出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象[14]，如兩個二氧化碳的強吸收線與弱吸收線處的透過率譜。帶通區(qū)間的中心相距為705 MHz，則產(chǎn)生外差信號的兩段太陽光頻率中心間隔為0.023 5 cm-1，測量譜中雙峰間距為0.027 5 cm-1，而理論上兩者應該相等，但計算得出兩者相差0.004 cm-1。將此誤差與測量系統(tǒng)的光譜分辨率(0.004 4 cm-1)比較可以得出，此誤差在測量系統(tǒng)的允許誤差范圍內(nèi)，因此雙峰間距的測量值與理論值可以基本吻合。由于CH4的吸收包含了四條強度相近的吸收線，且四條吸收線位置分布范圍有0.047 4 cm-1，大于由測量帶寬引起的雙峰間距，因此四條譜線的吸收重疊造成雙峰現(xiàn)象沒有出現(xiàn)在CH4的測量光譜中。

4 結(jié) 論

以中心波長為1 651與1 603 nm的DFB激光器作為本振光源，采用光纖光開關(guān)取代機械斬波器，建立了一套可同時測量整層大氣中CH4與CO2的緊湊型全光纖近紅外激光外差探測裝置。光纖光開關(guān)的使用不僅起到兩個測量通道的切換作用，提高太陽光的利用率；而且通過設置合適的切換頻率，可以對太陽光進行振幅調(diào)制。利用光譜分辨率為0.004 4 cm-1的雙通道激光外差裝置對實際大氣中的CH4和CO2的透過率光譜測量得到的信號的SNR可分別達到197與209。高分辨率全光纖大氣溫室氣體近紅外激光外差光譜測量儀器為實現(xiàn)大氣溫室氣體(CH4，CO2等)的同時遙感探測，建立大氣溫室氣體監(jiān)測網(wǎng)絡提供了有效的測量手段。下一步將對測量系統(tǒng)的噪聲、儀器函數(shù)和光譜標定進一步優(yōu)化，以提高測量光譜信號的信噪比，同時達到更高的光譜分辨率。