基于三级Fabry-Perot标准具的纯转动拉曼测温激光雷达

提出了新的纯转动拉曼测温雷达系统,即以种子激光注入锁定的Nd:YAG激光器为激发光源,采用基于三级Fabry-Perot(F-P)标准具的双通道分光结构代替双光栅单色仪结构.通过通道中宽带滤光片(带宽为7nm)及F-P标准具的组合使用,对532nm激发光的大气Mie-Rayleigh弹性回波散射抑制比可达10^-10,对量子数J=±6,J=±12的N₂纯转动拉曼散射光谱线接收带宽均小于10pm,因此能充分抑制大气背景辐射噪声及O₂纯转动拉曼谱线的干扰,从而实现了单谱线比反演温度,提高了探测精度,且可在白昼探测大气对流层温度.最后通过探空气球测得的对流层温度垂直分布逆向模拟了该系统双通道的Raman信号曲线,证实了该系统的可行性. 关键词： 拉曼激光雷达 纯转动拉曼散射 三级Fabry-Perot标准具 对流层     

全光纤拉曼测温激光雷达分光系统设计

设计了一个532.25nm波长的转动拉曼激光雷达用新型全光纤分光系统,对强背景噪音下微弱的转动拉曼信号进行高精度提取,以用于探测大气温度。该新型全光纤分光系统由3个光纤布拉格光栅(FBG)及光纤环行器构成,利用FBG的波长选择特性,可高精度剔除大气回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号成份,分离出中心波长分别为530.6nm和528.8nm的转动拉曼散射信号,用于反演大气温度。通过对分光系统进行参数优化设计和数值计算,表明基于FBG的分光系统可以对回波信号中的米氏散射、瑞利散射信号进行高达7个数量级以上的抑制,满足转动拉曼测温激光雷达对米氏散射、瑞利散射信号的高精度剔除。     

全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统设计与仿真

提出了一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统,选用Nd\:YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励波长,避开了强烈的太阳背景光对系统探测大气温度的影响。设计了一种新型三次衍射式双光栅多色仪作为激光雷达的分光系统。仿真结果表明,双光栅多色仪可实现Stokes与Anti-Stokes高低量子数通道转动拉曼谱线的有效提取,对米-瑞利弹性散射信号的抑制率可达到60～70 dB。充分考虑臭氧吸收和荧光对系统探测性能的影响,所设计的日盲紫外纯转动拉曼激光雷达采用模拟探测模式可在12 min的积分时间内实现2.2 km高度范围内大气温度的全天时探测。     

绝对探测大气温度的纯转动拉曼激光雷达系统

纯转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一,其正常工作需要配置其他并行校正设备,制约其在气象及环境监测领域中的实用化进程.基于大气氮气分子的纯转动拉曼谱型对温度的依赖性,提出并设计了绝对探测大气温度廓线的纯转动拉曼激光雷达系统.系统采用波长532 nm且脉冲能量300 m J的激光激励源和口径250 mm卡塞格林望远镜的接收器,设计了衍射光栅和光纤Bragg光栅结合的多通道并行纯转动拉曼光谱分光系统;仿真分析氮气和氧气分子的纯转动拉曼散射谱线间关系,优化选择了6条氮气分子的纯转动拉曼谱线以直接反演大气温度,设计了两级滤光器间转接光纤阵列的结构;基于最小二乘原理推导了绝对探测大气温度的反演算法,并结合标准大气模型,分析了纯转动拉曼激光雷达绝对探测大气温度的探测性能.结果表明,所设计纯转动拉曼激光雷达系统可直接反演大气温度廓线,在测量时间17 min内,温度偏差小于0.5 K的探测高度达2.0 km.     

利用转动拉曼测量大气气溶胶后项散射比

利用大气的弹性散射信号与整个转动拉曼信号的比值,不需要假设任何的气溶胶的消光与后项散射比值,就可得到大气气溶胶的后项散射比。通常测量部分转动拉曼谱线之和代替全部转动拉曼谱线之和。全部的转动拉曼谱线之和是不依赖温度,但部分的转动拉曼谱线之和却是与温度有关的。因此,利用转动部分拉曼谱线之和反演大气气溶胶的后项散射比就会带来误差。模拟了随温度变化不同转动量子数的拉曼谱线之和,并且计算了由这些不同转动拉曼谱线之和反演大气气溶胶后项散射比的误差。然后文章提出了一种新的方法,不需要测量整个转动拉曼谱线之和,而只需要测量单条转动拉曼谱线及大气温度,就可以获得大气气溶胶的后项散射比。最后通过实验给出了实际测量的大气气溶胶的后项散射比的结果。     

多条转动拉曼谱线雷达测量对流层大气温度

由于对流层大气中气溶胶的存在,传统的利用大气中瑞利散射和振动拉曼散射测量大气温度的方法具有一定的局限性,然而利用大气N₂和O₂分子的的转动拉曼信号获得大气温度信息的方法不受对流层大气中气溶胶的影响。因此利用N₂和O₂分子纯转动拉曼散射激光雷达开展了测量对流层下部温度分布的实验研究。现有的转动拉曼雷达系统基本上是通过获取单一的转动拉曼谱线来反演大气温度,这就导致了系统的信噪比低,不能很好的反演温度。作者在双光栅单色仪的基础上提出了一种新的雷达信号分光系统。这种新的分光系统的每条通道所获得的信号并不是单独的转动拉曼谱线,而是多条转动拉曼谱线之和,这样就能提高整个系统的信噪比。在较小的激光能量和小口径望远镜的情况下,利用这种方法,雷达系统可以在几公里内获得较好的信噪比。最后实验得到了对流层0.3～5 km高度内的大气温度分布, 它与球载无线电探空仪比较, 二者一致性较好。     

绝对测温转动拉曼激光雷达分光系统设计及性能

为实现转动拉曼激光雷达的绝对测量温度技术,设计并测试了多通道转动拉曼分光系统.提出了一阶闪耀光栅与光纤Bragg光栅组成的两级并行多通道拉曼分光系统,优化了其核心级联器件(微米级光纤阵列)的参数及光路结构;仿真分析了一级分光系统的分光光路,转动拉曼谱线最大离心伸缩量约为0.0031 nm,离心伸缩比为0.69%;实验测试表明一级分光系统各转动拉曼通道的通道系数均在0.75以上,提取到拉曼光谱的实测中心波长与理论值的最大偏差约为0.0398 nm,偏离度为8.86%,可提供对弹性散射信号27 dB以上的有效抑制,结合已有光纤Bragg光栅二级分光实现高达62 dB弹性散射的抑制效果,可以实现对单条偶转动量子数转动拉曼谱线的精细光谱提取.     

日盲紫外域拉曼激光雷达探测大气水汽技术研究

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号,可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱,在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中,多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量,设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出-266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长,采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器,同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统,实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5,283.6和294.6 nm的精细提取。计算仿真结果表明,臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响,主要是探测距离的影响;氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响;水汽通道存在少量太阳背景光噪声,对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明,设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时,可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线,修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收,进一步提升系统的探测能力和探测精度。     

大气边界层白天温度测量用转动拉曼激光雷达

设计了一个转动拉曼激光雷达系统,对大气边界层温度进行全天候高精度测量。系统选用波长355 nm的紫外激光作光源,采用高光谱分辨力光栅,将雷达接收到的散射信号以及太阳背景光从空间上分离,配合边缘反射镜,反射转动拉曼信号,去除大部分米氏-瑞利散射和太阳背景光噪声信号,并用两个窄带干涉滤光片,分离中心波长为353.9 nm和353.1 nm转动拉曼散射信号,同时对噪声信号进行2次高精度剔除,以保证白天测量的需要。对系统进行了分析及数值计算,结果表明在激光脉冲能量300 mJ,望远镜有效口径25 cm,测量时间10 min的条件下,可以在白天太阳背景光辐射度为3×108W/(m2.sr.nm)的边界层内测量高度2.5 km以下的大气温度分布,并在大气散射比低于2.5的条件下,温度测量精度可达到1 K。     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统EI北大核心CSCD

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

基底温度对中阶梯光栅厚铝膜质量的影响

大尺寸中阶梯光栅具有大孔径和极高的衍射级次,可以实现普通光栅难以达到的极高光谱分辨率。中阶梯光栅通常是利用刻划机在厚铝膜上刻划而成,所以制备大面积均匀性的高质量铝膜刻划基底是实现高性能大尺寸中阶梯光栅的关键因素。在较厚铝膜的制备工艺中,基底温度是至关重要的工艺参数。本文通过电子束热蒸发镀铝工艺在不同基底温度下制备了厚铝膜样品,并利用原子力显微镜、扫描电镜等手段从宏观和微观尺度详细分析了基底温度对铝膜质量的影响。铝膜平均晶粒尺寸从100℃时的264.34 nm增大到200℃时的384.97 nm和300℃时的596.35 nm,表面粗糙度Rq从100℃时的34.7 nm增长到200℃时的58.9 nm和300℃时的95.1 nm。结果表明,随着基底温度的升高表面粗糙度迅速增大,铝膜的表面质量严重退化。     

中阶梯光栅衍射效率及杂散光检测系统设计

中阶梯光栅具有刻线密度低、闪耀角度大、衍射级次高、光谱范围宽、色散率大、光谱分辨率高等一系列突出优点,近年来由于其优良的性能而倍受青睐。作为评价中阶梯光栅质量的衍射效率和杂散光系数直接体现了中阶梯光栅的光学性能,能够准确地进行中阶梯光栅衍射效率和杂散光系数的测量是光栅应用的前提。鉴于此,基于中阶梯光栅的衍射理论创造性地提出用一套系统对中阶梯光栅的衍射效率和杂散光系数进行检测,该系统引入双轨结构,具有结构简单新颖、一机多能等优点。通过理论分析和计算,确定了检测系统的结构参数,设计结果表明： 该检测系统可用于测量190～1 100 nm光谱范围内的中阶梯光栅绝对衍射效率,同时也可用于测量200～800 nm光谱范围内的中阶梯光栅杂散光系数,实现了将衍射效率测量和杂散光测量集于一体的设计思想。     

小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备,为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标,设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构,以高光谱分辨率为出发点,通过推导计算,从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路,给出仪器的重要必要结构参数,并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点,对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计,并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系,完成了仪器的整体结构设计和装调。应用汞灯可见光光谱进行波长定标,采用最小二乘法得到定标曲线,并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法,求得仪器的波长重复性和波长准确度;仪器在400~800 nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1 nm,波长重复性达±0.096 6 nm,波长准确度达±0.096 9 nm。     

Czerny-Turner型双光栅单色仪的波长驱动与波长校准研究

单色仪在实际光谱测量前需要进行波长校准。文中分析了波长驱动原理,并推导了Czerny-Turner双光栅单色仪出射波长与步进电机脉冲数的关系式。在此基础上进行了波长校准实验。使用低压汞灯作为校准光源,在紫外波段和可见波段蓝端,扫描多条低压汞灯特征谱线,得到单色仪的指示波长与信号强度的关系数据。计算出单色仪出射这些谱线时使用的波长修正量。最后使用曲线拟合方法得到250 nm～450 nm光谱范围内单色仪出射任意波长时对应修正量的计算式。波长校准保证了单色仪的波长准确性。     

200～400nm短波紫外光谱辐射照度国家基准装置的研究与建立

针对我国短波紫外光谱辐射照度测量能力缺失的问题,基于高温黑体辐射源,2017年中国计量科学研究院NIM自主研制了200~400 nm光谱辐射照度国家基准装置。组建氘灯副基准灯组,实现基准量值的独立复现、保存和传递。在国内形成了以氘灯为传递标准的光谱辐射照度计量基标准和量传体系,为各应用领域提供最高溯源标准。针对基准系统中温度测量、带宽、信噪比、荧光等主要误差源,逐一突破关键测量技术,提升基准的测量准确度：将高温黑体的温度测量直接溯源至铂-碳Pt-C和铼-碳Re-C固定点黑体,采用钨碳-碳WC-C高温共晶点测温技术进行验证,在3 021 K固定点与俄罗斯计量院VNIIOFI的偏差仅0.07 K,将200 nm的测量不确定度减小0.2%;针对黑体和氘灯光谱形状显著差异导致的光谱带宽误差,提出基于微分求积的七点带宽修正法,在200 nm,误差减小0.86%;提出绝对和相对互补型测量原理,将200 nm的测量重复性误差减小约20倍;采用选择性滤波技术,成功消除系统内荧光对测量结果的影响。3 021 K时黑体温度的测量不确定0.64 K,腔底不均匀性小于0.17 K,测量期间黑体温度漂移小于0.2 K,双光栅单色仪的波长误差不超过±0.01 nm。氘灯副基准的标准测量不确定度为：200~250 nm,U_rel=4.0%~1.3%;250~330 nm,U_rel=1.3%~1.2%;330~400 nm,U_rel=1.2%~1.9%,整体技术指标达到国际先进水平。研究成果填补了200~400 nm基于氘灯的光谱辐射照度国家基准的空白,使我国具备能力参加国际计量局组织的CCPR-K1.b国际关键比对,与传统以卤钨灯为传递标准的光谱辐射照度国家基准实现了有效衔接。在250~400 nm重合波段,两种传递标准量值的平均相对偏差为0.39%,在声称的不确定度范围内一致。     

星载高光谱成像光谱仪狭缝函数测试方法的研究

为了满足大气微量成分高精度测量需求,需要能准确描述星载高光谱大气微量成份探测仪的仪器狭缝函数。针对高光谱大气微量成份探测仪视场大、波段宽、空间分辨率和光谱分辨率高等特点,研制了狭缝函数测量仪。介绍了狭缝函数测量仪的工作原理及基本结构,并利用狭缝函数测量仪可同时实现高分辨率、宽谱段测量的特点,通过搭建定标装置,对高光谱大气微量成份探测仪进行全视场的狭缝函数测试,得出了仪器狭缝函数的数学表达式,给出仪器狭缝函数的特性分布,并对结果进行分析。测试结果表明：高光谱大气微量成份探测仪全视场光谱分辨率在0.423～0.597 nm之间,其狭缝函数特性曲线近似满足高斯分布规律。由于星载大视场成像光谱仪存在光谱弯曲现象,从而导致边缘视场分辨能力略低于中心视场分辨能力。狭缝函数测量仪是基于中阶梯衍射光栅设计,可同时输出多条高分辨率谱线,且分布均匀,不仅可以测量高光谱成像光谱仪的仪器狭缝函数,也可对星载高光谱仪器光谱定标,为后续研究提供了参考依据和方法。     

实用化拉曼光谱水下温度遥测系统研究

海水水下温度测量对研究海洋环境和气候监测及自然灾害的早期预报等十分重要。利用蓝绿激光在海水中良好的透射性,拉曼光谱技术可应用于大面积海水水下温度的快速遥感监测。但目前能够实现现场连续水温监测功能的实用化拉曼光谱水温遥测系统还尚未见报道。研制了实用化低成本的拉曼光谱水下温度遥测系统,开发了光谱实时采集和数据处理软件。数据处理中结合了面阵CCD的空间累加与时间积分及本底扣除算法,有效增强了拉曼光谱的信噪比和光谱系统的探测灵敏度。为了提高实际测温精度,以短波段拉曼谱的面积(S_HB)与长波段拉曼谱的面积(S_NHB)之比作为光谱信标与水温建立关系,研究了测温精度与光谱积分范围和拟合阶次的关系。实验测量了五百多组不同水温的拉曼光谱,分别选用比值S_HB/S_NHB和S_NHB/S_HB与水温进行线性拟合和二阶多项式拟合。研究结果显示,分界波长对面积比值变化范围影响很大,而拟合阶次对面积比与温度的拟合关系的准确度影响很大,两者最终都影响水温测量误差。为了更客观地反应不同面积比法、分界波长和拟合阶次对水温测量误差的影响,分析了温度测量误差与不同分界波长的关系。结果显示,温度测量误差受分界波长影响较小,受面积比法和拟合阶次影响较大;相同情况下2阶多项式拟合结果优于相应的线性拟合结果;而采用比值S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合时测温精度较高,且拟合参数易于调整。进一步研究了不同面积比方法和分界波长对系统抗干扰性能的影响。研究结果显示,比值S_HB/S_NHB法抗干扰能力随分界波长减小而减小,而比值S_NHB/S_HB法抗干扰能力随分界波长减小而增大。上述研究结果提高了温度反演算法参数设置的合理性和拉曼散射系统测温精度及系统抗干扰能力。综合考虑上述研究结果,数据处理中设定649.3 nm作为分界波长计算拉曼光谱面积比S_HB/S_NHB与水温进行线性拟合。最后通过实验检验了拉曼光谱水下温度遥测系统的连续实时测温能力和测温精度。结果显示,拉曼光谱系统测温值与高精度同步温度传感器测量温度一致,最大测温误差为±0.5 ℃,测温误差的标准差约0.21 ℃。