1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，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
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 航天系统部驻绵阳地区军事代表室，四川 绵阳 621000
针对激光传输实验中传输内通道空间狭小、CO2浓度低的特点，结合波长调制TDLAS技术，设计了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字锁相放大器，实现锁相放大和数据采集功能一体化，并将其成功应用于低浓度CO2检测中。为解决低浓度CO2吸收微弱、噪声强等问题，设计了高精度ADC模块，电压分辨率可达0.3 mV；基于DDS原理内部产生正余弦参考信号，保证谐波信号单一性，且实现参考信号频率可调节，覆盖范围1~40 kHz；改进了CIC滤波器，并通过降采样级联FIR滤波器的方式，以较少的硬件资源消耗实现窄带低通滤波，积分时间200 μs~20 ms可调；基于CORDIC算法实现平方和开根运算，相较于JPL算法精度更高。为系统更加小型化，基于Qt实现上位机并结合串口通信，使锁相放大器兼具数据采集处理功能。常温常压光程30 m条件下，测量了CO2在2 μm波段的吸收光谱，获得波长调制吸收光谱信噪比为102.6，相较于直接吸收信噪比8.8，提高约11.7倍；设计并开展低浓度CO2标定实验，获取二次谐波信号幅值和CO2浓度之间的线性关系，相关度为0.996；在纯氮气条件下，利用Allan方差评估了系统性能，平均时间为2 s时，系统检测下限1.30 ppm (1 ppm=10−6)，平均时间为180 s时，系统检测下限0.19 ppm；分析了系统响应时间，可在0.5 s内获取气体浓度。实验结果表明，设计的数字锁相放大器具有测量灵敏度高、参数可调节、能够实时处理和小型化的特点，可满足传输内通道中低浓度CO2的检测需求。
数字锁相放大器 激光传输 FPGA TDLAS 数字滤波器 CORDIC算法 digital lock-in amplifier laser transmission FPGA TDLAS digital filter CORDIC algorithm 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230023
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，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
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 航天系统部驻绵阳某部，四川 绵阳 621000
以2 μm窄线宽分布式反馈（DFB）激光器为光源，搭建了一套新型V形结构离轴积分腔吸收光谱实验装置。利用LightTools光学仿真软件对实验光路进行模拟仿真和优化分析，获得了V形腔内的高反射镜表面光斑分布规律，选择合适的入射角度可很好地提高镜面利用效率，并进一步确定了在V形结构双边对称且单边臂长为25 cm的情况下，腔体最佳夹角为23.06°。根据设计加工腔体并搭建吸收光谱实验装置，使用体积分数为400×10-6的CO2标准气体在4991.258 cm-1处对装置进行了实验研究，标定了高反镜的实际反射率和V形腔的有效光程。通过测量装置的Allan方差评估了实验装置的性能，实验结果表明，当平均时间为375 s时，装置检测限可达0.35×10-6。利用该装置在 4986.9955 cm-1处对室内NH3分子进行测量，获得了NH3的吸收谱线，同时使用Savitzky-Golay算法对光谱数据进行平滑处理，获得了46.06的信噪比，展示了V形结构的离轴积分腔装置优异的弱检测能力，为复杂环境下离轴积分腔装置的搭建提供了新的结构选择。
光谱学 离轴积分腔 V形结构 模拟仿真 NH3检测 Savitzky-Golay平滑 中国激光
2023, 50(19): 1911002
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
4 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
激光外差光谱（LHS）系统具有光谱分辨率高、探测灵敏度高和体积小等特点，在高分辨率太阳光谱和整层大气透过率测量等应用中受到关注。以3.93 μm分布反馈式带间级联激光器（DFB-ICL）作为本振光源搭建了激光外差光谱测量系统，以太阳光作为信号光，利用Zemax光学仿真软件对太阳光与激光的耦合进行设计和仿真。基于开普勒望远镜原理设计了太阳光整形结构。光斑整形后有效提高了外差耦合效率，将系统信噪比提高至162.1，比无整形条件下获得的信噪比提高了一倍。利用搭建的激光外差系统实测了合肥地区整层大气N2O吸收光谱，采用最优估算法反演了N2O的柱浓度，均值为0.311×10-6，反演结果与EM27/SUN的实测结果进行比较，两种方式获得的N2O柱浓度相关性为0.856。测量结果表明，激光外差光谱测量系统的光学结构经设计和优化后，光学耦合效率和系统信噪比均得到有效提升，基于实测太阳光谱反演获得的N2O柱浓度也与商用仪器观测结果具有较好的一致性。
光谱学 激光外差 信噪比 光斑整形 光学仿真 反演算法 中国激光
2023, 50(14): 1411001
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参数, 在激光大气传输、红外辐射传输的研究以及光电系统的工程应用中都具有非常重要的研究意义。介绍了激光外差技术的测量原理, 并着重介绍了利用激光外差光谱技术高分辨测量整层大气透过率的原理和方法, 以及同步反演水汽廓线分布、柱浓度的方法。进而介绍了课题组研制的 4.5 μm、3.53 μm 波段高分辨率激光外差光谱仪, 光谱分辨率分别达到了 0.006 cm-1、0.002 cm-1, 以及利用这些测量装置在合肥开展的整层大气透过率测量与水汽浓度反演的典型结果。最后对激光外差技术在光电系统工程应用中的后续发展进行了展望。
大气光学 整层大气透过率 水汽浓度 激光外差 技术 atmospheric optics total atmospheric transmittance concentration of water vapor laser heterodyne technology
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 中国科学院大气光学重点实验室, 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
3 皖西学院 电气与光电工程学院, 安徽 六安 237012
地表气压对温室气体浓度反演具有非常重要的影响。利用地基便携式傅里叶变换光谱仪EM27/SUN观测了敦煌地区H2O, CO2, CH4及CO气体分子的浓度, 获得了2018年6月27日到7月21日敦煌地区大气中XH2O, XCO2, XCH4及XCO的时间序列, 结合敦煌观测数据, 定量分析了地表气压对气体柱-平均摩尔分数Xgas(column-averaged dry air mole fractions, DMFs)反演的影响。结果表明: XH2O, XCO2, XCH4及XCO与地表气压密切相关, 相关系数均高于0.99, 柱总量随地表气压的变化快慢决定柱-平均摩尔分数随地表气压的变化趋势。相比较CO2, CH4及CO 分子, XH2O对地表气压的敏感性较弱, 地表气压改变1 hPa, XH2O, XCO2, XCH4及XCO分别变化0.027 8%, 0.065 9%, 0068 6%和0.062%; 观测期间, H2O, CO2的浓度变化幅度波动较大, XCH4, XCO变化较小, XH2O平均值在2 000×10-6~6 000×10-6变化, 而 XCO2平均值在407.27×10-6~417.60×10-6变化, 敦煌站点XH2O, XCO2, XCH4及XCO的测量精度分别为2.3%, 0.14%, 0.12%及1.7%, XCO2及XCH4的测量精度均优于TCCON网的测量精度; 与GOSAT卫星数据对比结果显示, 地基反演的XCO2, XCH4值均偏大, XCO2的绝对偏差为7.07×10-6, XCH4的绝对偏差为0.025×10-6; 与WACCM数据对比显示, 地基反演XCO2结果多数大于WACCM值, 最大绝对偏差可以达到80×10-6, 地基反演XCH4值小于WACCM值, 最大绝对偏差为0.032×10-6。实时观测数据更能反映当地的具体情况, 研究结果可为我国温暖带干旱性气候温室气体源与汇的研究提供数据支撑和理论基础。
傅里叶变换光谱技术 温室气体 分子摩尔分数 地表气压 Fourier transform infrared spectroscopy greenhouse gases Dry air Mole Fractions(DMFs) GOSAT satellite data surface pressure
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 大气光学重点实验室, 合肥 230031
2 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院, 合肥 230026
3 皖西学院 电气与光电工程学院, 安徽 六安 237012
4 卡尔斯鲁厄理工学院, 德国 卡尔斯鲁厄 76131
利用地基傅里叶变换光谱仪EM27/SUN观测了合肥地区H2O、CO2、CH4及CO四种气体分子的柱浓度.观测结果表明：合肥地区XH2O、XCO2在测量期间变化较大，H2O和CO2的变化幅度分别为1 353.17~5 289.43 ppm及409.22~415.05 ppm；XCH4和XCO两种气体分子的变化较小，其标准差均在10-2数量级；XH2O、XCO2、XCH4和XCO的平均值分别为2 109.10 ppm、411.59 ppm、1.87 ppm及0.13 ppm.将地基观测数据XCO2、XCH4分别与WACCM模式、GOSAT卫星数据进行了对比分析.结果表明，WACCM模式计算XCO2、XCH4的浓度比较稳定，仅在平均值附近有微幅变化，GOSAT卫星观测值略低于地基EM27/SUN的观测值，XCO2、XCH4相对偏差分别为0.45%和0.34%.利用GOSAT卫星数据分析了2010~2018年春季XCO2与XCH4的变化趋势，发现XCO2值从390.83 ppm增加到410.30 ppm，相对增长率为4.9%；XCH4值从1.802 ppm增加到1.869 ppm，相对增长率为3.7%.其结果可为追踪合肥及周边地区温室气体的源与汇提供科学依据.
傅里叶变换光谱技术 温室气体 柱总量 GOSAT卫星数据 Fourier transform infrared spectroscopy EM27/SUN EM27/SUN Greenhouse gases Total column WACCM WACCM Satellite data
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所,中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院, 安徽 合肥 230026
离轴积分腔输出光谱(OA-ICOS)技术具备灵敏度高和环境鲁棒性强等优点。 引入再入射方法后,OA-ICOS的信号功率得到有效提升,缓解了探测灵敏度高度依赖光源功率的问题,让使用低功率 光源和高反射率腔镜搭建高灵敏度OA-ICOS成为可能。但由于该方法特有的光学结构,探测信号中往往掺杂较为强烈 的干涉噪声。针对干涉问题,设计并搭建了一套再入射OA-ICOS装置,测量了实际大气CO2, 对再入射结构引入的噪 声进行了分析,提出了扰动再入射结构的应对方法。结果表明:扰动方法使噪声信号幅值由原来的467.3 mV降低为61.2 mV, 降低了7.63倍。该方法成本更为低廉,且实现更容易。
光谱学 再入射 离轴积分腔 高灵敏度 干涉噪声 spectroscopy re-injection off-axis integrated cavity high sensitivity interference noise
