研究星载IPDA激光雷达探测CO2光谱纯度

马 晖,邓 迁,刘 东,谭 敏,徐继伟,谢晨波,王珍珠,王邦新,黄 见,王英俭*



研究星载IPDA激光雷达探测CO2光谱纯度

马 晖1,2,邓 迁1,2,刘 东1*,谭 敏1,2,徐继伟1,2,谢晨波1,王珍珠1,王邦新1,黄 见1,王英俭1,2*

(1.中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室,安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院,安徽 合肥 230026)

光谱纯度是积分路径差分吸收激光雷达最重要的系统参数之一,光谱纯度直接影响CO2数据的探测精度.在模式研究中要求输入观测的CO2数据误差小于1´10-6,对激光器光谱纯度参数设计提出很高要求.本文采用有效吸收截面分析探测反演误差的方法,研究了由光谱纯度带来的CO2柱浓度探测误差,并基于窄带滤波器对光谱不纯能量的抑制作用,对不同带宽的窄带滤波器进行选择和分析,从而达到降低对光谱纯度的要求,提升探测精度的目的,最后讨论了由于窄带滤波器造成的能量衰减所对随机误差的影响.结果表明:当光谱纯度为99.9%,窄带滤波器带宽1GHz,透射率为0.86,脉冲能量为100mJ时CO2探测的系统误差小于0.084´10-6,随机误差小于0.02´10-6,满足探测精度要求.

激光雷达；光谱纯度；IPDA；误差分析

IPDA激光雷达探测方法决定了对脉冲品质的精细要求,脉冲能量光谱纯度是激光器的关键参数.脉冲能量光谱不纯部分能量是探测过程中主要误差源之一,而由于激光器光谱纯度测量相对困难,为了减少光谱纯度的影响对激光器参数和窄带滤波器提出了严格要求[5-6].本文通过研究脉冲能量光谱纯度对探测结果的影响,首先阐述IPDA激光雷达探测原理,给出激光器出射能量线型及光谱不纯能量线型,然后分析和讨论了随光谱纯度变化对探测系统误差造成的影响,并基于窄带滤波器对光谱纯度以外的噪声能量的抑制作用,随后对不同带宽的窄带滤波器进行选择和分析,从而提高探测精度,降低对激光器光谱纯度参数要求.最后讨论了在IPDA激光雷达应用中采用的窄带滤波器透过率所带来的随机误差.

1 IPDA探测原理

星载IPDA激光雷达向天底发射两束波长接近的脉冲,脉冲经大气传输和地表反射被探测器接收,通过比较两束脉冲衰减后回波能量的差异反演得到整层大气柱上目标气体含量.其中脉冲靠近目标气体吸收峰,被目标气体强烈吸收的波长称为强吸收线,记为.另一束波长位于目标气体的吸收翼,目标气体在该处波长上的吸收弱,称为弱吸收线,作为探测参考能量,记为.通过适当选取强弱吸收线,可以有效减少其他大气成分消光以及地表反照率变化等因素带来的影响[7].IPDA激光雷达方程为[8]

根据(1)和(2)式以及流体静力学方程和理想气体状态方程,可以得到

式中:DAOD为两个脉冲波长的差分光学厚度.分母中WF()为CO2权重函数,代表探测波长对不同高度上CO2含量吸收能力的权重分布.CO2为整层大气中体现不同高度上CO2权重分布的干空气柱混合率.

表1 星载IPDA激光雷达仿真参数

图1 CO2和H2O的光学厚度

2 脉冲能量线型

激光器出射脉冲能量在波数域上存在展宽.理论上经激光器振荡放大后出射能量应为单色光,实际上在种子注入谐振腔以及增益放大过程中,放大介质的自发辐射等变化会产生其他纵模,导致能量在波数域上展宽.理论计算中脉冲能量线型L(v)使用洛伦兹线型公式描述脉冲能量[13]

图2 激光脉冲能量密度线型

Fig.2 Energy density line shape of laser

实际从激光器出射的脉冲能量中,还叠加有振荡器中产生的宽带能量噪声.使用光谱纯度用以描述激光器出射脉冲能量的成分和比例,定义为有效输出能量与总输出能量之比[15].有效输出能量为脉冲能量中距离能量密度中心频率较近,目标气体对其吸收性质偏差不大的那部分能量.有效输出能量范围外几乎不被目标气体吸收能量占总能量的比例称为光谱不纯.光谱不纯能量主要由振荡器中增益的自发辐射能量ASE产生,受激光器增益曲线影响,集中在脉冲能量中心,带宽可以达到几个到几十个GHz[16].

光谱不纯能量线型L(v)可以使用洛伦兹线型表示

式中:为光谱纯度.目前激光器所产生的光谱纯度可以达到99.9%.

3 分析与讨论

3.1 光谱纯度系统误差分析

由(3)式可知,IPDA激光雷达通过比较2个波长上回波能量可以得到传输路径上CO2柱含量,因此探测结果直接受2个波长上相对能量变化的影响.强吸收线脉冲能量在大气传输过程中由于目标气体的吸收作用而发生衰减,由(1)式可知当光学厚度为1时,强吸收线脉冲能量在大气传输过程中由吸收所产生的衰减达到86%.而强吸收线上脉冲光谱不纯能量几乎不被目标气体吸收衰减,这部分能量经过地表反射后被探测器接收,导致接收的强吸收线回波能量比理想脉冲高,造成显著的系统误差.弱吸收线吸收目标气体吸收能力弱,接收的弱吸收线回波能量不会因脉冲光谱纯度而产生明显变化,因此弱吸收线上光谱纯度影响可以忽略.由此可以得到2个波长上回波能量之间的关系如下式所示[17]

由(3)和(9)式可知,光谱纯度误差可以写为

图3 光谱纯度产生的CO2柱浓度误差

Fig.3 CO2column ratio error caused by spectral purity.

3.2 窄带滤波器透过率线型

由于光谱不纯会产生较大的探测误差,这不仅对激光器参数提出严格要求,并且限制了探测精度.采用窄带滤波器可以有效减少光谱不纯影响.本文以法布里-珀罗窄带滤波器为基础,研究了在脉冲能量出射端或探测器接收端采用窄带滤波器抑制光谱不纯能量,提升探测精度,降低对激光器光谱纯度的要求.窄带滤波器透射率函数为[18].

对于理想正入射窄带滤波器,损耗吸收为0,(11)式可以化为

表2 所选窄带滤波器参数

图4 不同FWHM的窄带滤波器透射率廓线

由光谱纯度带来的系统误差要求不高于0.084´10-6[19].窄带滤波器对光谱不纯部分能量的抑制效果如图5(a)和(b)所示,通过降低有效输出能量外的噪声能量,提升光谱纯度,进而降低探测误差.不同窄带滤波器带宽对不同FWHM的光谱不纯能量如图5(c)和(d)所示,FWHM越小的光谱不纯廓线峰值能量越高,能量廓线越集中于中心波长上;采用窄带滤波器可以减低距离中心波长较远的能量,将光谱不纯能量抑制到脉冲中心附近. FWHM为9GHz及以上的光谱不纯廓线,选用1GHz窄带滤波器可以降低光谱纯度要求至99.9%.光谱纯度误差与窄带滤波器之间关系如表3所示.光谱纯度误差与光谱纯度和窄带滤波器带宽之间关系如表3所示.

图5 光谱纯度误差与光谱纯度和窄带滤波器带宽之间关系

图中:图(a)为FWHM为1GHz光谱不纯能量(虚线)经1GHz窄带滤波器过滤后能量线型(实线);图(b)为FWHM为9GHz光谱不纯能量(虚线)经1GHz窄带滤波器过滤后能量线型(实线);不同FWHM窄带滤波器下系统误差随光谱纯度变化;图(c)为对于不同带宽的窄带滤波器,误差随FWHM为1GHz光谱不纯变化;图(d)为对于不同带宽的窄带滤波器,误差随FWHM为9GHz光谱不纯变化.

表3 光谱纯度误差与光谱纯度和窄带滤波器带宽之间的关系

3.3 随机误差分析

由于实际应用中窄带滤波器对能量造成损耗和衰减,减少最后进入探测器的能量,增加随机误差.相对随机误差RRE如下式所示[3,9]

式中:XCO2为探测中由信号噪声,背景噪声及探测器噪声等产生的反演随机误差.SNR为系统信噪比;为探测脉冲数.其中,

图6 1GHz和6GHz带宽的窄带滤波器随机误差差异

图7 RRE和脉冲能量以及透射率之间的关系

4 结论

IPDA激光雷达可以获得高精度,高时空分辨率,全球覆盖的CO2柱含量数据.其探测精度受光谱纯度影响显著,在探测系统误差分析和参数论证研究中对激光器参数提出严格的要求.通过本文对光谱纯度的研究,在已有研究基础上对光谱纯度参数的误差影响进行研究,得出以下结论和改进:

4.1 采用窄带滤波器可以有效抑制光谱不纯能量,为使由光谱纯度所造成的系统误差不大于0.084´10-6.

4.2 通过使用带宽为1、3和6GHz的窄带滤波器,系统对光谱纯度的要求分别为99.9%,99.97和99.98%,由此可以降低系统对激光器光谱纯度参数的要求,提升探测精度.

4.3 当光谱纯度为99.9%,窄带滤波器带宽1GHz,窄带滤波器透射率为0.86,激光器出射能量为100mJ时探测得到的系统误差小于0.084´10-6,随机误差小于0.02´10-6,满足星载IPDA激光雷达对CO2探测精度的要求.

[1] Stocker T F, Qin D, Plattner G K, et al. Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change [J]. Climate Change 2013: the Physical Science Basis, 2013.

[2] 夏玲君,刘立新,李柏贞,等.我国中部地区大气CO2柱浓度时空分布 [J]. 中国环境科学, 2018,38(8):2811-2819.

[3] Rayner P J, O'Brien D M. The utility of remotely sensed CO2concentration data in surface source inversions [J]. Geophysical Research Letters, 2001,28(1):175-178.

[4] Ehret G, Kiemle C, Wirth M, et al. Space-borne remote sensing of CO2, CH4, and N2O by integrated path differential absorption lidar: a sensitivity analysis [J]. Applied Physics B, 2008,90(3/4):593-608.

[5] Ehret G, Kiemle C. Requirements definition for future DIAL instruments, Final Report [J]. ESA Study Contract Report, DLR, 2005.

[6] 姜佳欣,李世光,马秀华,等.种子注入单频脉冲光参量振荡器的光谱纯度研究[J]. 中国激光, 2015,(7):66-72.

[7] Bösenberg J. Ground-based differential absorption lidar for water-vapor and temperature profiling: methodology [J]. Applied optics, 1998,37(18):3845-3860.

[8] Refaat T F, Ismail S, Nehrir A R, et al. Performance evaluation of a 1.6-µm methane DIAL system from ground, aircraft and UAV platforms [J]. Optics Express, 2013,21(25):30415-30432.

[9] Caron J, Durand Y. Operating wavelengths optimization for a spaceborne lidar measuring atmospheric CO2[J]. Applied Optics, 2009,48(28):5413-5422.

[10] Rothman L S, Gordon I E, Babikov Y, et al. The HITRAN2012 molecular spectroscopic database [J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2013,130:4-50.

[11] 朱湘飞,林兆祥,刘林美,等.温度压强对CO2吸收光谱的影响[J]. 物理学报, 2014,63(17):174203-174203.

[12] 陈 洁,张淳民,王鼎益,等.地表反照率对短波红外探测大气CO2的影响[J]. 物理学报, 2015,64(23):239201-239201.

[13] 韩 舸,龚 威,马 昕,等.地基CO2廓线探测差分吸收激光雷达[J]. 物理学报, 2015,64(24):244206-244206.

[14] 葛 烨,胡以华,舒 嵘,等.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[J]. 物理学报, 2015,64(2):20702.

[15] Mckee T J, Lobin J, Young W A. Dye laser spectral purity [J]. Applied optics, 1982,21(4):725-728.

[16] Przybylski M, Otto B, Gerhardt H. Spectral purity of pulsed dye lasers [J]. Applied Physics B, 1989,49(3):201-203.

[17] Ismail S, Browell E V. Airborne and spaceborne lidar measurements of water vapor profiles: a sensitivity analysis [J]. Applied Optics, 1989, 28(17):3603-3615.

[18] 薛竣文,裴雪丹,苏秉华,等.激光器中FP标准具的研究[J]. 激光与光电子学进展, 2012,49(3):100-103.

[19] Miller C E, Crisp D, DeCola P L, et al. Precision requirements for space-based data [J]. Irish Journal of Psychological Medicine, 2017, 29(2):143-145.

致谢：感谢中国科学院安徽光学精密机械研究所饶瑞中研究员和魏合理研究员的意见和建议.

Spectral purity study of CO2measurement with space-borne IPDA lidar.

MA Hui1,2, DENG Qian1,2, LIU Dong1*, TAN Min1,2, XU Ji-wei1,2, XIE Chen-Bo1,WANG Zhen-Zhu1, WANG Bang-Xin1, HUANG Jian1,WANG Ying-Jian1,2*

(1.Key Laboratory of Atmospheric Composition and Optical Radiation, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Science, Hefei 230031, China；2.University of Science and Technology of China Science Island Branch of Graduate School, Hefei 230026)., 2018,38(11)：4010~4016

A high sensitivity and global coverage of carbon dioxide (CO2) observation are expected to be designed as the next generation measurement by space-borne integrated path differential absorption (IPDA) lidar. Strict spatial CO2data, such as 1´10-6or better accuracy, are needed to solve the most scientific problems of carbon cycle. Spectral purity, that is, the ratio of effective absorption energy to total transmission energy, is one of the most important parameters of IPDA lidar. It directly affects the accuracy of CO2measurements. Due to the comparison of the average dry air mixing ratio from the two echo pulse signals, the laser output usually accompanied by an unexpected spectral broadband background radiation will produce significant systematic errors. In this study, the shape of the spectral energy density line and the shape of the spectral impurity line are modeled as the shape of the Lorenz line for simulation, and the off-line is assumed to be a CO2reference that is not absorbed. Based on the IPDA detection theory, the error equations for calculating the systematic errors caused by spectral impurities are derived. For spectral purity of 99%, the induction error can reach 8.97´10-6. A narrow band filter can be used to achieve significant relaxation. The narrow band filter blocks a large amount of impurity radiation transmitted outside a certain spectral interval, ensures that the return radiation focuses on the target operating wave number and reduces the error caused by the inadequately caused. The experimental results show that for a given spectral purity, the error can be suppressed by smaller FWHM of spectral impurity and bandwidth of narrow-band filter. The results reveal that an error of 0.084´10-6of the retrieved CO2column ratio is derived from the influence of spectral impurity with the spectral purity of 99.9% and spectral impurity of 9GHz in conjunction with a narrow-band spectral filter of 1GHz FWHM and transmittance of 0.86. In addition, random error less than 0.02´10-6is caused by the attenuation of narrow-band filter with the laser energy of 100mJ.

lidar；spectral purity；IPDA；error analysis

X511

A

1000-6923(2018)11-4010-07

马 晖(1989-),男,吉林梅河口人,博士,主要从事激光雷达与大气环境监测方面的研究.发表论文6篇.

2018-03-26

国家重点基础研究发展计划(2013CB955802);国家自然科学基金(41505019)

* 责任作者, 刘东，研究员，dliu@aiofm.cas.cn；王英俭，研究员，yjwang@aiofm.cas.cn