全光纤双通道大气温室气体激光外差光谱探测技术研究

激光外差光谱技术是近年迅速发展的一种高光谱分辨率遥感探测技术,其装置具有体积小、光谱分辨率高等特点,适用于大气温室气体浓度的探测。各种观测实验已证明其是一种切实、有效的探测手段,在地球大气探测领域具有很大的应用前景和潜力。在现有激光外差光谱仪器的基础之上,提出了一种新型的仪器结构。采用光纤光开关对直射的太阳光进行调制与分束,实现利用单个光纤光开关进行两个波段激光外差信号的同时探测。为全光纤激光外差光谱仪的下一步系统集成和多波段激光外差光谱仪的构建提供了新方法。从激光外差探测的原理出发,分析了激光外差光谱探测技术的优势和关键参数,并结合自行研制的高精度太阳跟踪仪,搭建了一套近红外双通道全光纤式激光外差辐射计的原理样机。详细地阐述了激光外差辐射计原理样机中各功能模块的作用和参数,着重描述了光纤光开关在其中的作用原理和功能,详细地讨论了激光外差光谱仪的波长扫描模式和波长标定方法。在此基础上,讨论了激光外差辐射计的相关参数设置依据和仪器函数的测量方法,并给出了激光外差装置的仪器函数以及相应的光谱分辨率(0.0044 cm^-1)。利用搭建的激光外差光谱仪在合肥地区(31.9°N,117.166°E)进行了实际的大气探测,同时在波段(6056.2~6058.1 cm^-1)和(6035.6~6036.5 cm^-1)分别获取了CH 4和CO 2分子的激光外差吸收信号,并对吸收信号进行了波长标定和归一化,得到了CH 4分子和CO 2分子的整层大气透过率谱,测量光谱信号的信噪比分别为197和209,同时也对分子吸收信号的光谱特征进行了分析。本文的测量实践表明光纤光开关可以用于激光外差光谱系统的结构优化,实现多通道多波段的激光外差光谱同时测量,拓展激光外差光谱仪在大气探测领域的应用。

大气水同位素HDO激光外差光谱探测技术研究

报道了利用自研高精度太阳追踪仪,建立了一套全光纤式激光外差光谱仪系统,对合肥科学岛(31.9°N,117.2°E)地区进行了实时大气光谱探测,在近红外波段(6437~6441 cm^(-1))得到了水同位素HDO分子的激光外差光谱信号。同时对吸收光谱进行了波长定标和离散标准化,得到了信噪比为46、光谱分辨率为0.0196 cm^(-1)的HDO整层大气透过率谱,并利用最优估计算法反演计算出HDO对流层的垂直浓度廓线。本文研究表明激光外差技术可以用于大气水汽同位素HDO的探测技术研究,为大气水汽同位素HDO的探测提供了新手段、新方法。

基于激光外差探测的大气N_(2)O吸收光谱测量与廓线反演

激光外差光谱探测由于其光谱分辨率高、体积小、重量轻等优点近年来得到了快速的发展,可用于大气温室气体垂直廓线测量和碳卫星地面定标等.本文报道了利用3.939μm带间级联激光器作为本振光源的测量大气N_(2)O的激光外差系统,自制高精度太阳跟踪仪收集太阳光作为激光外差的信号光源,其跟踪精度达到7 arcsec,激光外差系统的光谱分辨率达到0.004 cm^(–1),测量了合肥地区(31.902°N,117.167°E)大气N_(2)O吸收光谱,得到2838.336和2539.344 cm^(–1)两个强吸收峰,并对吸收信号进行波长标定,得到了N_(2)O分子的整层大气透过率谱,信噪比为93.将高分辨率光谱数据进行归一化处理和频率校正,利用参考正向模型和最优估计算法得到N_(2)O大气整层浓度廓线,标准偏差体积分数为0.000031×10^(–6)—0.0026×10^(–6),对应相对误差范围为0.009%—0.83%.研究结果表明,所搭建的激光外差系统能够实现对大气中N_(2)O的吸收光谱测量以及对N2O的廓线反演,为长期观测大气N_(2)O浓度提供保证.

激光外差光谱仪模拟风场探测

中高层大气风场是表征中高层大气环境的重要参量,对中高层大气风场的探测在民用和军用领域有着重要意义.激光外差光谱技术是近年来迅速发展的一种高光谱分辨率和灵敏度的被动式遥感探测技术,以激光外差光谱技术为核心研制的激光外差光谱仪因具有体积小、重量轻、结构稳定等特点,在星载测量中高层风场领域有巨大的潜力和应用前景.激光外差光谱仪的地面风场探测性能验证是其应用到卫星上的关键环节,本文利用实验室环境下建立的风场模拟装置实现0—25 m/s的风速变化,并基于光谱分辨率为0.003 cm^(-1)激光外差光谱仪分别测量了无风速变化和不同风速下的CH_(4)吸收谱,测量风速的分辨率为3 m/s.使用光纤F-P干涉仪、波长计和参考池对激光器输出光频率进行实时的相对定标和绝对定标.通过计算吸收光谱中心频率的偏移量,反演得到风场风速,并与风场模拟器风速对比,相对误差为1.49 m/s.该实验对激光外差光谱仪测风性能进行有效验证,证明了使用激光外差光谱仪进行中高层大气风场测量的可能性.