基于宽频光源和FP腔的CO2检测方案研究设计

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1、密级博士学位论文基于宽频光源和FP腔的CO2检测方案研究设计作者姓名成龙指导教师丁雷（研究员）学位类型工学博士学科专业物理电子学培养单位中国科学院上海技术物理研究所2018年6月ResearchanddesignofCO2detectionsystembasedonbroadbandlightsourceandFPcavityAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequi

2、rementForthedegreeofDoctorofPhilosophyinPhysicalElectronicsByChengLongSupervision:ProfessorDingLeiShanghaiInstituteofTechnicalPhysicsUniversityofChineseAcademyofSciencesJune2018学位论文版权使用授权书本人完全了解中国科学院大写有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以

3、公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日摘要摘要近年来，CO2排放量剧增导致了一系列气候问题，而人类对于CO2和气候变化之间的关系知之甚少，为了深入了解大气中CO2和气候变化

4、、人类活动之间的关系，需要准确的对大气碳源和碳汇进行检测。本文围绕主动光学大气CO2检测技术展开研究，完成了基于宽频光源和FP腔滤波的CO2检测系统研究和设计工作。本文首先介绍了课题研究背景及意义，说明了CO2大气检测的必要性。介绍了国内外该方向的发展历史和现状，包括被动光学方案在轨运行的卫星和在研的主动光学检测系统。从大气和光辐射之间的相互作用以及差分吸收激光雷达系统的组成和工作原理出发，通过对传统差分吸收激光雷达的改造，使用宽频光源作为发射端光源，FP腔滤波器作为接收端滤波装置，实现了CO2检测。结

5、合宽频光源-FP腔滤波系统工作原理和CO2检测目标，对系统具体组成结构和参数进行设计。结合大气探测CO2的特点，选择CO2透过率谱线丰富且水汽影响小的波段1567~1574nm作为系统工作波段。选用SLED作为系统照明光源，输出功率24mW，纹波50dB。比较OPO和EDFA两种光放大方案，选择EDFA作为光功率放大器。发射端和接收端共用一个光学窗口，使用三口光纤环形器和光纤聚焦/准直系统，环形器串扰50dB，准直/聚焦光学使用单透镜结构，焦距100mm，口径25.4mm。接收端使用光纤分光器分光,通道

6、一使用光纤FP腔滤波器和InGaAsPIN探测器，FP腔采用本征光纤FP腔，腔反射镜反射率0.9，腔长度24.6mm。探测器使用光纤输入。对FP腔、探测器和系统共进行了三个实验。使用可调谐激光器作为单频光源输入，对FP腔滤波器透过率进行测试，确定光纤FP腔工作状态。使用光纤功率计作为参考，对探测器进行标定。使用单频光源输入，测试整个系统在波段内单频波长上的响应情况。设计地面实验系统，包括单频光源系统和长光程气体吸收池。在论文结尾，对已完成的工作进行总结，分析现阶段系统存在问题，对将来主动光学CO2检测系

7、统研究进行了展望。本文在系统构成和误差分析上都有所创新。提出了一种全光纤结构的CO2检测系统，引入光纤FP腔保证了整个结构光学的封闭性，简化系统的同时，大大提高了系统能量利用率。误差分析方面，基于硬件结构分析误差项对于差分信号的影响，将探测误差和后期的反演误差分离，有利于理解系统的误差来源，进一步提高系统的工作能力。关键词：大气检测，温室气体，主动光学，宽频光源，FP腔。IAbstractAbstractInrecentyears,adramaticincreaseinCO2emissionscause

8、daseriesofclimateproblems.HumanbeingsknowlittleabouttherelationshipbetweenCO2andclimatechange.ForunderstandingtherelationshipamongCO2,climatechangeandthehumanactivities,theatmosphericcarbonsourceandcarbonsinkneedtobedetect