大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统设计与性能仿真

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)204301本文提出了一种地基水汽探测DIAL系统方频输出窄线宽1064nm的脉冲光，通过倍频晶体案，可以用于测量对流层底层的水汽浓度分布，并后大约有50％的能量转换为532am脉冲光用于对系统的性能进行了详细的仿真与分析．抽运0PO．采用两台分布反馈式(distributedfeedback，DFB)激光器作为种子激光器，输出连续光2系统设计波长分别位于水汽吸收峰上和吸收峰外侧，前者称为峰尖波长。，后者称为峰外波长A。ff；为了实现本系统是一种地基水汽探测差分吸收激光雷OPO输出波长

2、在。和。ff之间的交替切换，两路达，图1所示是其总设计框图，表1是其主要技术参数．种子光通过一个2×1的光开关后注入到OPO中，需要使用单模保偏光纤和半波片来保证抽运光和2．1激光发射种子光的偏振匹配．如图1所示，OPO由四面镜子系统的发射部分主要由Nd：YAG激光器、种组成的环形腔和非线性晶体KTP(磷酸钛氧钾)组子激光器和光学参量振荡器fopticalparametric成，在其中一面镜片上装有压电陶瓷用于控制环形oscillator，OPO)组成．种子注入的Nd：YAG激光腔的腔长，使其与种子注入光的波长满足一定的匹器(型号为Continuumsu

3、relite—EX)以10Hz的重配关系．图l大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统设计框图表1系统各参数汇总204301-2物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)204301在底层大气中，水汽吸收峰的宽度一般为距离分辨率达到了1．5Ill，远远大于实际的需求10pm左右：在对流层顶，由于压力的减小与温度的降低，吸收峰宽度减小到5pm左右．为了保2．3差分吸收截面测量证足够高的测量精度，对峰尖波长的线宽和频率为了补偿由于发射激光的频率漂移、线宽和光稳定性有很高的要求．因此这里采用种子注入谱纯度带来的误差，加入了一个实时差分吸

4、收截面的Nd：YAG激光器作为抽运源，其线宽大约为测量系统．通过光纤准直器将一小部分发射光耦合150MHz；峰尖波长种子激光器采用主动稳频技术，入光纤，再利用95：5的保偏光纤分路器把光分成利用低压水汽光纤气体池作为频率参考，将波长稳两束，一束通过201TI长的水汽多通道气体池后用定在水汽吸收峰上，如图2所示，稳频后在一小时高速光电二极管探测电路PD1接收，另一束直接用内频率抖动的峰峰值约为50MHz；峰外波长种子PD2接收作为参考．最后通过双通道高速数字采集激光器对波长稳定度要求不高，只需采用被动稳频卡(1GSPS／12Bit)将两个探测器的电信号数字

5、化技术：利用种子注入技术，使得OPO出射脉冲光的后上传到上位机．波长与种子光保持一致，其线宽小于200MHz．2．4时序控制与上位机整个系统采用Nd：YAG激光器输出的Q开关信号作为同步信号，通过系统时序控制电路，使得需-IIJlI．．止lII．．L光开关、OPO腔长锁定的压电陶瓷和数据采集系褂统按照特定的时序工作．上位机采用LabView编臻’-『'I．1_r⋯啊n_1IIlII『II”rIfrT呵T1_Il1l写，用于接收数据采集系统上传的数据，并进行水汽浓度廓线实时反演和显示．0102030405060时间／min图2主动稳频后峰尖波长的频率抖动器

6、根据HITRAN数据库，得到夏季时中纬度地区海拔分别为0和5km的935nm附近的水汽吸收谱线，如图3所示．我们选择了四个吸收峰。1=935．450nm，。2=935．561nm，。3=935．776nm，。4=935．906ilm作为峰尖波长，在紧邻的地方选择。ff：935．412nm作为峰外波长．图3水汽吸收谱线OPO输出的信号光通过扩束镜后打到一面反射镜上，通过反射镜的二维调节来实现发射光和接3水汽浓度反演算法收望远镜的准直．根据基本的激光雷达方程，大气后向散射信号的能量可以表示为2．2接收光学和数据采集P(，R)=PLCTLA叩(入采用口径为30

7、5mm、焦距为3048mm的卡塞，R)(，R)r，R]格林望远镜接收后向散射信号．为了在白天背景×explL-2J／(，r)drl，(1)光很强的情况下工作，在望远镜后端加入了滤光片0J光路，由准直镜、窄带滤光片(FWHM=1rim)和式中P(入，R)是距离为R处的回波功率，入是发射会聚镜组成；回波光电探测器是直径为4mm的雪光的波长，R是接收距离；PL是发射光功率，C是崩光电二极管fAPD)；回波电信号通过数字采集卡空气中光速，丁L是激光脉冲宽度，A是接收望远镜(100MSPS／14Bit)数字化后上传到上位机，理论上的有效面积，叩(，R)是系统光学效

8、率，(，R)和：}，9}物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．2