国外差分吸收激光雷达探测大气水汽廓线的研究进展

水汽含量是大气最基本的物理参量之一,大气水汽垂直分布结构对于大气过程的研究十分有意义。差分吸收激光雷达可以昼夜获取高精度、高距离分辨率的大气水汽垂直分布廓线,是最有潜力的探测手段。国际上已经发展出几种类型的差分吸收激光雷达,对它们的发展路径做一梳理,理清发展脉络,具有有益的参考价值。其中,稍早时期水汽差分吸收激光雷达工作在4ν振动吸收带720～730 nm频域,以Alexandrite为主流的激光器或者Nd∶YAG/ruby固体激光器泵浦的染料激光器作为发射光源,光电倍增管仍然可以在这个波段担任探测器,代表性的仪器是法国的机载LEANDRE Ⅱ。此后发展的820 nm波段的水汽差分吸收激光雷达,以钛宝石激光器或钛宝石光放大器为发射机,以硅的雪崩二极管作为探测器,紧跟前置放大和数据的AD采集器,如德国Hohenheim大学的车载扫描激光雷达,可以获得对流层300～4 000 m之间水汽两维或三维分布结构;德国Institutfür Meteorologie und Klimaforschung所建立的差分吸收激光雷达可以探测3～12 km高度之间大气的水汽垂直分布。720和820 nm波段水汽吸收截面较小,更适合于地基或车载的对流层水汽廓线探测。而水汽3ν振动谱935 nm区域吸收截面较大,是为了空间探测大气对流层上、平流层下相对干燥区域的水汽分布而准备的,且可以安排多个探测波长,和一个参考波长,它们对水汽的吸收截面大小呈梯度分布,以应对空间对地观测时不同高度大气水汽浓度的差别。基于种子注入的光参量振荡器或Nd∶YGG全固态激光器的935 nm差分吸收激光雷达,以德国Deutsches Zentrumfür Luft- und Raumfahrt的研究最为成功,推动了欧洲空间局立项发展空间水汽差分吸收激光雷达WALES（Water Vapour Lidar Experiment in Space）,测量从地球表面到平流层下、高垂直分辨率和高精度水汽浓度分布。机载多波长水汽差分吸收激光雷达1999年建立起来,担当空间WALES任务的模拟器,2006年完成了机载飞行试验。以823～830 nm分布布拉格反射半导体激光器和半导体光放大器为核心、采用雪崩二极管盖格光子计数技术的微脉冲差分吸收激光雷达,是差分吸收激光雷达面向商业化、可普及的方向迈出的重要一步,目前已经发展到第四代产品。发射机激光工作波长的长期稳定十分重要而棘手,以窄带连续波种子激光注入脉冲激光器的谐振腔锁定其的腔长,种子激光的波长以水汽的多通道光吸收池为参照标准,或以高精度波长计为误差获取手段,通过负反馈进行主动稳频;其次,需要仔细考虑大气对激光的后向散射光谱线型,显然Rayleigh后向散射光的多普勒展宽与水汽吸收光谱线宽度可以比拟,所以其吸收截面σ_on和σ_off必需加以修正;水汽的空间垂直分布梯度大,因此差分吸收激光雷达应该实行分通道探测。     

基于TDLAS平衡差分技术的CO气体检测

利用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)结合平衡差分探测技术测量了1.578 μm附近的CO气体3-0带P(4)跃迁在不同压强和不同浓度下的吸收光谱信号。由于平衡差分探测方法可以有效地抑制激光光强波动、温度漂移和机械振动等共模噪声,从而提高了光谱探测灵敏度。通过与直接吸收信号相比,平衡差分的信噪比提高了3.4倍,探测极限为87 ppmv。测量了浓度为1%压强为40,55,70和85 Torr时的CO气体,结果显示在70 Torr时其光谱信号最强。并且,利用直接吸收和平衡差分技术测量了不同浓度的CO气体在总压强在70 Torr时的光谱信号,发现平衡差分技术光谱强度与浓度的关系线性度符合较好,其测量误差小于5%。为了进一步验证系统的稳定性,连续采集了324 s的光谱信号,最后通过Allan方差分析,发现本实验系统的最佳探测时间为38 s,探测极限为47.8 ppmv。     

Effect of Water Vapor Absorption on Measurements of Atmospheric Nitrate Radical by LP-DOAS

利用长程差分吸收光谱技术进行大气NO3自由基测量时,水汽的强烈吸收叠加在测量光谱中,对NO3的精确反演和探测限带来较大的影响. 通过分析水汽吸收的非线性效应,建立了一种去除水汽影响的有效方法. 通过测量日间大气吸收谱,并考虑日间水汽与夜晚水汽变化量,一同参与数据拟合,结果表明该方法可以有效地去除水汽吸收的影响. 把该方法应用于在珠三角外场实验中,获得了好的效果,探测限达到3.6 ppt。     

基于差分光学吸收光谱方法的OH自由基定标系统研究

介绍了一种基于差分光学吸收光谱(DOAS)方法的OH自由基定标系统, 该系统可产生一定浓度的OH自由基并同时进行精确测量. 系统采用紫外灯185 nm光线分解水汽产生OH自由基, 利用500 W氙灯准直光作为光源; 使用基长1.25 m、反射次数60次、总光程75.0 m的多次反射池来增加OH自由基的吸收光程; 以超高分辨率中阶梯光栅光谱仪(最高分辨率3.3 pm)作为光谱采集系统对光谱信号进行采集, 采用DOAS测量方法获得OH自由基的浓度. 通过改变腔内水汽的浓度, 系统准确测量了5×10⁸-1.8×10¹⁰ molecules/cm³浓度范围的OH自由基. 分析了OH自由基测量过程中受到的吸收截面偏差、气压等因素影响, 得到系统总测量误差小于7.3%. 在实验的浓度范围内, 系统可用于大气OH自由基气体扩张激光诱导荧光测量技术的定标.     

935nm差分吸收激光雷达系统及对流边界层水汽廓线探测

研制了一套935nm水汽探测差分吸收激光雷达(DIAL)系统。种子注入的环形腔光参量振荡器,在窄线宽脉冲激光的抽运下,通过Ramp-Hold-Fire方法锁定光参量振荡器谐振腔,产生脉冲能量为45mJ、波长为935nm、重复频率为10Hz、脉冲持续时间为6ns的窄线宽、波长稳定的脉冲激光。接收望远镜直径为305 mm,使用雪崩光电二极管作为探测器,以935.776nm作为探测光波长(λon)、935.860nm作为参考光波长(λoff)进行了地基垂直差分探测实验,获得了上海地区对流边界层水汽浓度廓线。数据时间分辨率为60s,距离分辨率为30 m,在高度600m至对流边界层顶的范围内,水汽浓度昼夜有效测量误差小于0.1g/m~3,将DIAL数据与附近气象观测站无线电探空仪数据进行对比,结果证实了DIAL数据的有效性。     

一种差分吸收式光纤瓦斯传感系统

基于差分吸收法,研究了一种光纤瓦斯传感系统.采用双波长参考测量法,选取输出波长为1551nm的分布式反馈半导体激光器作为参考光源,输出波长为1 653nm的激光器作为甲烷气体的吸收峰处光源,通过改变甲烷气体吸收峰处激光器的输出波长,使其扫描到甲烷气体的吸收峰,通过比较吸收峰处和没有吸收峰处的光功率,测得甲烷气体浓度的分辨率达到0.038%.实验结果表明该系统的分辨率高、稳定性好、抗干扰能力强,可用于对煤矿瓦斯气体的检测.     

基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术

针对现有矿井瓦斯传感器的缺点,基于红外光谱吸收原理,采用差分吸收技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统。该系统采用单光路吸收气室和单光路双波长探测技术,利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出信号的检测,并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线,实现了对瓦斯浓度的全量程精确探测。实验表明,该系统的测量误差小于2%,具有很高的测量精度,具备了煤矿应用的基础。     

差分吸收大气CO2激光雷达的大气压力增宽修正算法

CO2作为温室气体主要成分对全球气候有重要的影响。现有的被动观测设备都只能获得单点上空的CO2浓度值,而差分吸收激光雷达在探测CO2方面具有巨大优势,可以获得较高的时空分辨率。然而,在利用差分吸收激光雷达探测CO2浓度时,其中的压力增宽有不可忽视的重要影响。基于此着重对压力增宽进行分析,提出新的修正算法,新方法同经典算法相比较,减小了反演过程中的误差。实验中分别对一例仿真信号和实测信号进行反演,最终获得了CO2浓度垂直廓线分布较为理想的结果,验证了新修正算法的可行性。     

分辨率对大气中痕量污染气体的DOAS测量性能影响研究

在差分吸收光谱(DOAS)测量过程中,光谱分辨率的选择直接决定了污染气体浓度的测量准确度.主要研究了光谱分辨率对污染气体被榆测到的特征吸收结构形状的影响,以及差分吸收截面随分辨率的变化趋势,从而确定了光谱分辨率对污染气体最低可检测浓度的影响,通过研究分辨率与光强的关系,确定了分辨率与信噪比(S/N)的函数关系式,得出了DOAS测量NO2,O3,和SO2的最佳信噪比范围,对多种污染物标准气体进行了同时监测,计算出标准气体在不同光谱分辨率下的测量误差,确定了对NO2,O3和SO2监测的最适用的分辨率范围.在此分辨率范围既能够实现对痕量气体的准确定性定量测量,又能达到测量所需要的高灵敏度,强选择性和适用的时间分辨率.通过在北京丰台区的实际监测得到了与点式仪器测量结果很好的一致性.     

全光纤差分吸收激光雷达大气成分探测精度分析

为了提高全光纤差分吸收激光雷达的探测精度,研究近距离探测条件下使用光环形器的差分吸收激光雷达,这对提高气体探测精度具有重要的意义。分析了差分吸收激光雷达的探测精度与激光回波能量测量的关系,发现近距离条件下的气体探测精度将会受到环形器"串音"的影响,分析了不同探测高度下串音对探测精度的影响程度。结合CO2浓度探测的实例并通过仿真计算,得到了信噪比与探测相对误差随探测高度的变化曲线。结果表明,环形器中存在的"串音"会干扰激光回波信号,对探测信噪比与精度产生严重影响。该研究对设计与完善全光纤差分吸收激光雷达系统具有重要的借鉴意义。     

Water-vapor mixing-ratio measurements in the solar-blind region

It is shown that, under clear sky conditions, water-vapor mixing-ratio measurements by solar-blind Raman lidars can be improved if the differential transmissivity is calculated by use of a single Raman signal instead of the usual Raman differential absorption lidar method, which allows one to exploit the large absorption cross section of ozone in this spectral region. We present a discussion of statistical and systematic errors in both methods and show the results of a numerical simulation.     

差分吸收激光雷达回波信号统计模型的研究

差分吸收激光雷达回波信号统计模型是研究差分吸收激光雷达系统的基础,但是现有的统计模型中均没有考虑大气湍流导致的激光闪烁对回波信号的影响。针对已有统计模型的缺陷和应用需要,综合考虑了大气湍流导致的激光闪烁、目标反射斑纹、接收噪声以及发射功率波动对回波信号统计特性的影响,提出了一种改进的长程差分吸收激光雷达回波信号统计模型,分析了该模型的统计特性。仿真结果表明大气湍流导致的激光闪烁对回波信号统计特性的影响十分显著,同时也验证了该统计模型比已有统计模型更精确、更符合实际。     

Application of Geometrical Form Factor in Differential Absorption Lidar Measurement

The peak position for a lidar return signal is calculated and measured for the horizontal path with variation of the laser beam divergence angle (θ), and the inclination angle (δ) between the telescope and laser axes. This work shows that θ and δ are very important parameters to use in the design or alignment of a lidar system receiving a good lidar signal. This paper describes an experimental determination of geometrical form factors in the lidar equation. We receive the signals and determine the geometrical form factors by slope method in a homogeneous atmosphere. The differential absorption lidar equation is evaluated for the dual-pulse lidar system. A method using a geometrical form factor determined by the experiment is introduced to correct the error in C₂H₄ measurement. This method shows good correction of measurement error in lidar dual-pulse operation, especially in the short range.     

温度压强对CO_2吸收光谱的影响

为了提高差分吸收CO2探测激光雷达的反演精度,本文采用可调谐半导体激光吸收光谱技术,利用双光路差分实验系统,在不同温度和压强下精确探测了CO2吸收谱线(1.572μm附近)的精细结构,分析了吸收光谱谱型的变化差异,获得了5个温度(287K,297K,311K,315K,324K)的压力增宽系数和吸收截面,推算出了CO2的温度相关指数.这些参数是对现有数据库的补充和完善,确保差分吸收CO2探测激光雷达的精确反演,从而提高其探测能力.     

连续波差分吸收激光雷达测量大气CO_2

研制了一套接收硬目标回波的差分吸收激光雷达系统以用于全天候监测大气CO2浓度变化.系统采用10和12 kHz正弦波分别对处在CO2吸收峰内和吸收峰外的波长进行强度调制,利用单频检测技术提取回波信号.提出了一种利用激光扫频推算系统精度的方法,从而弥补了长期以来只能在理论上计算差分吸收激光雷达系统精度的不足,给实际系统自定标问题提供了一种解决方案.该系统采用全光纤结构,结构可靠,便于移动.利用此系统获得了上海市多天CO2浓度变化曲线,在450 m的积分路径长度上,1 s的积分时间取得了优于3.39×10-6的测量精度.     

基于差分吸收激光雷达的一种新的对流层臭氧浓度反演算法

差分吸收激光雷达探测对流层臭氧浓度时,气溶胶的干扰会造成较大的误差。提出了一种算法,该算法能够同时反演得到对流层臭氧浓度和气溶胶消光系数,减少气溶胶对反演结果的影响。使用实验数据,分析计算了气溶胶雷达比,气溶胶波长指数、标定点气溶胶后向散射比各种变化参数对反演结果的误差。结果表明,1 km以下,各种变化参数造成的反演误差小于8%,1 km以上臭氧浓度误差主要来源于信号和背景噪声,各种参数反演误差小于3%。最后给出了利用该算法得到对流层臭氧浓度和气溶胶的消光系数垂直廓线,并和传统的双波长差分算法反演结果作了比较分析。实验结果表明该算法是可行的,该算法可以减少气溶胶对差分吸收激光雷达测量结果引起的误差。     

一种新型的用于差分吸收激光雷达中脉冲式光学参量振荡器的种子激光器的频率稳定方法

提出了一种新型的用于差分吸收激光雷达中脉冲式光学参量振荡器的种子激光器的频率稳定方法. 详细介绍了该稳频方法的工作原理和实验装置, 并在理论上对该方法的稳频精度及其影响因素进行了分析. 利用该方法, 在实验中将种子光激光器稳定在水汽的吸收峰中心(935.6849 nm)处, 频率抖动的标准差小于8 MHz. 测试了种子注入后的光学参量振荡器输出的脉冲光的频率抖动, 测试结果表明, 脉冲光频率能够与种子光保持一致, 频率抖动的标准差小于28.7 MHz, 该稳频结果完全能够满足差分吸收激光雷达的需求.     

IPDA激光雷达数据反演快速精确优化算法

研究了积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达中采用洛伦兹线型代替伏格特线型对机载平台探测CO₂柱浓度精度的影响。建立仿真模型，讨论两种线型在数据反演中对温度和气压的敏感性，以及探测相对误差变化随飞行高度的变化。结果表明：伏格特和洛伦兹线型得到的吸收截面，温度和气压敏感性，相对随机误差分别为0.860%，-0.703%和0.224%，基本没有差别，但是洛伦兹线型可以有效地提高光谱参数计算效率。机载IPDA激光雷达采用洛伦兹线型可以快速高精度反演飞行路径上CO₂柱浓度，降低了对系统计算能力的要求，有助于实现在飞期间数据实时反演和分析，以及实施针对突发事件的飞行规划，同时也有助于进一步实现机载激光雷达系统的小型化和集成化。