差分吸收激光雷达(DIAL)探测大气二氧化碳浓度, 这一课题比较早受到科学家们的重视, 尤其在NASA Langley Research Center的Koch G J, Barnes B W, Petros M等科学家发明了Ho:Tm:YLF全固态激光器和InGaAsSb光电二极管之后, 在国际上形成了2.05 μ m差分吸收激光雷达探测对流层二氧化碳廓线的研究热点^[1]; 然而, 研究表明大气在2.05 μ m波段的后向散射截面较小, 具有距离分辨的廓线探测是十分困难的^[2], 在1.57 μ m波段, 也存在大气后向散射信号较弱、 光子计数噪声大、 信噪比低等问题^{[3, 4]}。 因此, 有些科学家转向以硬目标反射光作为回波的路径积分式差分吸收激光雷达(IPDA)探测对流层二氧化碳的柱浓度的研究^{[5, 6, 7, 8]}, 如NASA Goddard Space Flight Center的科学家James B Abshire, Haris Riris等, 为ASCENDS(Active Sensing of CO₂ Emission over Nights, Days and Seasons)计划进行了以高重频激光脉冲、 机载路径积分差分吸收激光雷达探测垂直二氧化碳柱浓度的实验^{[9, 10, 11]}; 2015年, 德国A.Amediek等在CHARM-F (CO₂ and CH₄ Remote Monitoring Flugzeug)计划支持下, 研制了基于种子注入光参量振荡器(OPO)的1.57和1.645 μ m脉冲路径积分差分吸收激光雷达系统^[12], 并且实现了机载垂直方向大气二氧化碳和甲烷柱浓度的测量。 Amediek等提出利用Nd:YAG激光器泵浦的种子注入式KTP-OPO作为发射机, 其中探测波长的种子光利用36 m的(CO₂/20 hPa, CH₄/6 hPa)气体池进行稳频。 通过高速光开关轮流把探测波长on-line和参考波长off-line的种子光切换至OPO谐振腔内, 经过OPO变换后的1.57 μ m/1.645 μ m激光脉冲(10 mJ/50 Hz)垂直发射到地面, 利用PIN探测器和APD探测器接收反射光信号来测量大气甲烷和二氧化碳柱浓度, 测量结果表明其测量精度在1%以下; 以Shumpei Kameyama, Masaharu Imaki, Yoshihito Hirano, Shinichi Ueno, Shuji Kawakami, and Masakatsu Nakajima等日本科学家为代表, 2008年报道了他们的1.6 μ m连续波调制地基差分吸收激光雷达系统。 日本学者提出的正弦波强度调制的连续波差分吸收激光雷达系统原理框架: 两个DFB半导体激光器的工作波长分别通过二氧化碳吸收池和偏频锁相环PLL锁定在1 572.992和1 573.137 nm, 且激光强度通过锂酸铌波导电光强度调制器(EOM)以f_m1和f_m2的频率正弦调制, 被调制的连续激光在同一根单模光纤合束, 再被掺铒光纤放大器放大。 放大后的光功率大部分发射到大气中, 小部分功率被取样用于监测, 被发射的光穿过空气柱打在硬目标上, 由硬目标反射回来的光沿原路径返回到接收望远镜被探测器转换成电信号, 将回波信号和监视端信号做快速傅立叶变换(FFT), 就可以把频率f_m1功率谱和频率f_m2功率谱分离出来, 它们分别代表着往返空气柱中的1 572.992 nm探测光分量和1 573.137 nm参考光分量的强度。 根据online/offline两波长的光束在发射机与硬目标之间来回的光吸收差异来获取自发射机到硬目标这段距离内的水平空气柱二氧化碳平均浓度, 外场测量评价激光雷达水平和垂直CO₂混合比精度分别为0.49%和1.7%。 水平积分路径2.1 km和垂直积分路径到达云底表面3 km, 对应信号累积时间25 min。 沿观测路径用多点在线传感器互补测量, 表明激光雷达水平CO₂密度误差在2.8 ppm之内^{[12, 13, 14]}。

为探测火星大气的密度做前期的准备, 我们也进行了地基连续波调制路径积分差分吸收激光雷达探测地球边界层大气二氧化碳柱浓度的研究^{[15, 16]}。 鉴于电光调制器的偏置电压易发生变化、 不稳定等因素造成强度调制度的变化, 产生系统误差, 因此, 我们采用声光调制器代替铌酸锂的波导电光调制器。 采用调制光谱技术以及对残余幅度调制的抑制实现On-line光源激光波长的精确锁定。 此外, 连续波差分吸收激光雷达同时采用相位测距方法获得路径长度, 使得系统更为紧凑。 介绍路径积分差分吸收激光雷达的探测原理, 差分吸收激光雷达的组成及On-line光源激光频率锁定单元和实验测量结果。

路径积分差分吸收激光雷达的光束照射硬目标表面的足印千变万化, 可以是草原、 沙地、 海面、 墙壁等, 其反射系数不同, 回波光信号随不同反射系数变化不定; 以相同的路径, 同时发射探测光束(On-line)和参考光束(Off-line), 可以认为它们照射硬目标的足印相同。 式(1)和式(2)分别为On-line和Off-line回波强度。

Son(R)=PonARR2ηtηrexp-2∫0R[α(r)+n(r)σon]dr(rsur/Ωsur)(1)

Soff(R)=PoffARR2ηtηrexp-2∫0R[α(r)+n(r)σoff]dr(rsur/Ωsur)(2)

qCO2=12NairRΔσlnSoff, i/Eoff, iSon, i/Eon, i(3)

式中S_on为On-line波长硬目标回波强度; S_off为Off-line波长硬目标回波强度; P为发射功率。 双波长吸收截面差Δ σ 和空气分子密度N_air都与大气压强和温度参数有关, 大气压强和温度可通过HITRAN数据库和气体状态方程求得; 距离R可用相位测距方法获得; i表示累加后求对数; qCO2的单位是相对混合比ppm。

在大气二氧化碳吸收谱当中, 1 568~1 590 nm波段与1 598~1 620 nm波段二氧化碳吸收系数非常近似, 而且1 568~1 575和1 598~1 605 nm波段的二氧化碳吸收谱比较窄, 此时吸收峰的波长和吸收峰边上的吸收谷波长非常接近, 即On-line和Off-line的波长差很小, 有利于减小系统因波长差异带来的误差。 InGaAs/InP PIN光电探测器在1.3~1.6 μ m波长范围内具有更高的探测效率, 因此选取1 568~1 575 nm波段作为探测波段; 该波段另一个主要优势是水汽影响明显较小, 从图1可以看出, 1 572.335 nm是该波段二氧化碳吸收系数最大的吸收峰, 并且此时水汽的吸收系数较小, 而旁边的吸收谷1 572.180 nm处的水汽吸收系数和1 572.335 nm处相当, 这样差分吸收系统可以抵消水汽吸收对系统的影响, 所以选取On-line波长为1 572.335 nm和Off-line波长为1 572.180 nm; 此外, 二氧化碳谱线的选择还需要考虑温度和压强的影响, 1 572.335 nm具有很小的温度系数^[17]。 图2为更为精细的1 572.335 nm附近的水汽和二氧化碳吸收系数对比图。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 水汽和二氧化碳在1 570~1 574 nm的吸收系数对比图Fig.1 Comparison of absorption coefficients of H2O and CO2 at 1 570~1 574 nm

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 水汽和二氧化碳在1 572.335 nm附近的吸收系数对比图Fig.2 Comparison of absorption coefficients of H2O and CO2 at 1 572.335 nm

如图3所示为系统组成框图, 表1为系统主要参数。 On-line和off-line两路激光首先要经过正弦信号的调制, 两路调制信号频率有细微差别。 正弦调制方法的参数需要精心选择: 既要考虑测距精度的需求, 也要考虑系统带宽要求; 同时调制频率间的差距应该尽量小, 以消除调制频率差异带来其他的系统误差。 综合以上因素考虑, 选择On-line光源强度调制频率为101.8 kHz, Off-line光源强度调制频率为99.7 kHz, 调制波由直接数字频率合成器DDS(direct digital synthesis)生成, 调制后的On-line和Off-line激光通过光纤耦合器耦合为一路光, 耦合后的光经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大。 经过分光光路, 其中99%的激光被发射出去打在硬目标上, 另外1%的激光作为监视信号。 硬目标反射的光由牛顿式反射望远镜接收并被光电探测器探测, 双通道采集卡采集回波信号和监视端信号, 将采集所得到的数据传递到计算机(PC)中进行FFT变换, 通过调制信号的功率谱得到幅频信息和相频信息, 通过相位测距原理和差分激光雷达方程(3)就可以反演出光路路径上的二氧化碳平均浓度。 利用C++软件开发上位机系统, 能实时完成数据处理以及显示和存储, 具有时间轴险示、 数据采集饱和预警的功能, 对参数修改后, 该软件也能适用于探测其他气体浓度的连续波差分吸收激光雷达系统。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 连续波差分吸收激光雷达系统框图Fig.3 Continuous-wave modulation hard-target differential absorption lidar system

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 差分吸收激光雷达系统参数 Table 1 System parameters of DIAL system 参数 值 激光器波长 1 572.335 nm(On) 1 572.180 nm(Off) 激光器线宽(FWHM) < 1 MHz 波长稳定性 0.1 pm(rms)(On) 0.4 pm(rms)(Off) 调制频率 99.733 kHz(On) 101.833 kHz(Off) 输出光功率(平均) 2 W 望远镜口径 150 mm 视场角 0.57 mrad 探测器增益 100

表1 差分吸收激光雷达系统参数 Table 1 System parameters of DIAL system

精确的控制On-line激光光源频率是差分吸收激光雷达中一项关键的技术, 受工作环境条件等影响, 激光输出频率往往是随时间起伏变化的。 我们利用频率调制光谱技术实现On-line光源激光频率的锁定, 稳频系统框架如图4。 连续波半导体激光器输出的激光由光纤分束器分束, 70%部分用于IPDA的发射光源, 30%的部分用于频率锁定单元。 进入频率锁定单元的激光首先由电光相位调制器(EOM)进行相位调制, 然后由光纤分束器分光。 经过相位调制的70%的光进入充满CO₂的气体池(T=300 K/P=0.15 atm/L=12 cm), 剩余部分由光电探测器直接探测。 相位调制在光谱中产生两个对称的边带, 如果波长从吸收线中心偏移, 这些边带在CO₂气体池中被非对称地吸收, 这种不对称的吸收产生激光的强度调制, 因此, 监测到的信号具有调制分量。 经过锁相放大和A-D转换后得到的调制幅度作为伺服控制系统的误差信号输入, 伺服控制系统控制半导体激光器(DFB)的驱动电流, 使得误差信号幅度为零, 最终On-line激光器的波长锁定在CO₂气体池吸收峰: 1 572.335 nm。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 On-line光源激光器频率锁定单元系统框图Fig.4 Configuration of the wavelength locking unit for the On-line wavelength

如果相位调制器(EOM)对On-line激光是纯相位调制, 这个系统是可以实现精确频率锁定的; 然而, 当入射EOM上的激光不是线性偏振或激光的偏振方向与电光晶体的主轴不完美对准, 以及晶体的表面与其他光学元件的表面之间形成的F-P效应, 以上这些因素都会导致EOM产生与调制频率相同的残余幅度调制(RAM)^[18]。 RAM与本振调制信号混频、 解调后会使误差信号发生直流偏置, 造成波长锁定错误; 更糟糕的是, 由于残余幅度调制会随着温度、 振动等因素作无规则抖动, 因此带来的误差信号的直流偏置也会随时间作无规则起伏, 而波长锁定系统无法将这个无规则起伏的直流偏置信号与激光频率变化引起的误差信号区分开来, 伺服系统误以为激光频率发生了漂移, 会错误地改变激光的频率。 因此, 在图4中可以看到, 我们将经过EOM调制后的光一部分直接由探测器探测, 探测器输出即RAM信号, 将探测器输出的RAM信号与本振混频然后低通滤波得到RAM的幅度, 通过伺服控制系统给EOM施加一个反馈直流偏置电压, 将RAM的幅度锁定在零点, 实现激光波长的精确锁定。

图5是由HighFinesse公司的WS-6波长计测得的On-line光源激光波长, 测量结果显示: 经过频率稳定系统后On-line激光器波长在12 h内均方根误差为0.05pm, 只有CO₂吸收谱线宽度(P=1 atm, T=296 K)的0.1%。 即使对于1 ppm的系统精度来说, On-line光源激光波长均方根误差0.05 pm在估计CO₂吸收系数误差时是可以忽略的。 Off-line光源激光波长即使在没有任何稳定措施时波长的均方根误差值仍小于0.4 pm, 这对系统测量的误差贡献可以忽略。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 On-line光源激光器频率稳定测量结果Fig.5 Measured On-line laser frequency stability

搭建完成的连续波调制差分吸收激光雷达系统包括on波长单纵模激光器及其锁频单元, off波长单纵模激光器, 2个声光调制器(AOM), DDS调制信号发生器(ADS9959), 保偏合束器, 掺铒光纤放大器, 内置分光片的耦合器, 光纤准直器, 牛顿反射式望远镜, 2个光电探测器和采集卡。 其中激光器为自行研制的具有恒流源和温度补偿的半导体激光器模组, 波长控制精度达到0.4 pm; 电光强度调制器(EOM)的直流偏置电压不稳, 并且电光调制器对温度更加敏感, 因此用1 550 nm波段的保偏AOM取代EOM进行强度调制。 DDS信号发生器为自行研制直接数字频率合成器, 能产生可调制的具有一定直流偏置的正弦信号来驱动AOM; 保偏合束器为30:70的单模保偏光纤耦合器; 掺铒光纤放大器的型号是EDFA-BA-33-B-1573, 最大输出功率为5 W; 准直器是THORLABS公司生产的1 550 nm单模尾纤GRIN光纤准直镜, 发散角为0.57 mrad; 光电探测器是带宽模尾纤GRIN光纤准直镜, 发散角为0.57 mrad; 光电探测器是带宽1 MHz、 具有500 mV· W^-1探测率的InGaAs探测器; 采集卡是自行研制的采样率15 MHz, 分辨率16 bit的双通道AD采集卡; 分束片式耦合器分束比为1:99, 对偏振不敏感。

北京时间2019年11月6日14时到2019年11月7日14时, 利用路径积分差分吸收激光雷达系统在上海市虹口区进行了24 h对外探测二氧化碳实验, 图6中红色箭头直线为探测路径, 反射目标为距离激光雷达1 369 m处的高楼外墙表面, 取测量平均时间为30 s。 与此同时, 我们在激光雷达探测路径上使用LI-7500A二氧化碳点探测器观测作为对比数据。 图7为差分吸收激光雷达数据与点探测器LI-7500A的数据对比, 发现激光雷观测的数据在一天内二氧化碳浓度的变化范围为420~480 ppm, 短时间内的测量波动在4 ppm(rms)左右, 一天中二氧化碳浓度最高值出现在凌晨一点前后, 最低值在午后两点左右, 符合二氧化碳日变化的规律。激光雷达与LI-7500A点探测器的观测数据在日变化趋势上趋于一致。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 2019年11月6日— 7日激光雷达探测路径, 路径包括公园, 居民区以及一条交通干道Fig.6 The path of detection from Nov.6 to Nov.7, 2019, including Park, residential area and a main road

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 2019年11月6日— 7日激光雷达与点探测器 探测的二氧化碳水平柱浓度Fig.7 CO2 column concentration by the DIAL system and that measured by the in situ sensor LI-7500 at Nov.6, 2019 to Nov.7, 2019

研制了正弦调制连续波差分吸收激光雷达系统, 该系统采用了声光器件代替电光器件对连续波光发射强度进行调制, 并且复合了光强调制波的相位测距仪的功能。 基于光谱调制技术实现On-line激光频率精确锁定在CO₂吸收峰上, 提高了系统测量精度。 系统可以用于连续稳定的监测大气二氧化碳柱浓度, 同时可以测量硬目标的距离。 实验获得了上海地区水平方向上连续的二氧化碳柱浓度日观测结果, 短时间测量精度达到4 ppm, 日变化趋势与点探测器LI-7500的同期测量的数据相吻合。 之后将展开连续多日的强化观测, 同时更为细致的研究系统的信噪比以及散斑等因素对测量精度的影响。