王駿 崔萌 陸紅 汪麗 閆慶 劉晶晶 華燈鑫

(西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院,西安710048)

基于固體腔掃描法布里-珀羅干涉儀的大氣溫度絕對(duì)探測(cè)方法研究?

王駿 崔萌 陸紅 汪麗 閆慶 劉晶晶 華燈鑫?

(西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院,西安710048)

(2016年12月5日收到;2017年1月21日收到修改稿)

大氣溫度是描述大氣狀態(tài)的重要基本特征參量之一.目前,基于Rayleigh散射的大氣溫度探測(cè)方法多應(yīng)用于大氣溫度的相對(duì)探測(cè),即溫度反演時(shí)需要響應(yīng)函數(shù)和校準(zhǔn)程序.本文提出了利用固體腔掃描式法布里-珀羅干涉儀進(jìn)行大氣Rayleigh散射譜型的精細(xì)探測(cè)方法和殘余米散射信號(hào)的抑制方法.根據(jù)Rayleigh散射譜特點(diǎn),針對(duì)固體腔掃描式法布里-珀羅干涉儀的自由光譜區(qū)、固體腔幾何長(zhǎng)度、腔體介質(zhì)類型、半高全寬、腔體反射率、掃描間隔等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).利用優(yōu)化參數(shù)的固體腔掃描式法布里-珀羅干涉儀獲取Rayleigh散射譜上離散點(diǎn)信息,并采用多項(xiàng)式插值方法獲得擬合譜型,與根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型和S6模型獲得的理論譜型進(jìn)行比對(duì),大氣溫度探測(cè)不確定度小于0.8 K.當(dāng)信噪比為10時(shí),白天與夜晚的探測(cè)距離分別為4.5和7.9 km.該方法可實(shí)現(xiàn)大氣溫度廓線的全天時(shí)和高精度絕對(duì)探測(cè),并對(duì)同類高光譜激光雷達(dá)分光系統(tǒng)研究具有借鑒意義,為我國(guó)高光譜激光雷達(dá)陸基及星載應(yīng)用提供了一套可行的分光系統(tǒng)解決方案.

大氣溫度,瑞利散射光譜,高光譜激光雷達(dá),固體腔掃描法布里-珀羅干涉儀

1 引言

大氣溫度是描述大氣狀態(tài)的重要基本特征參量之一[1],特別是研究氣溶膠分布和大氣污染物擴(kuò)散問(wèn)題都需要測(cè)定逆溫層隨時(shí)間和大氣空間變化的特性,并且反演大氣相對(duì)濕度剖面也依賴于大氣溫度剖面的測(cè)量.因此大氣溫度的全天時(shí)和高時(shí)空分辨率探測(cè)[2?4],對(duì)于研究云的形成、降水及大氣污染物的擴(kuò)散機(jī)理,改善大氣環(huán)境預(yù)警與預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度,及研究全球氣候變暖對(duì)策等具有極其重要的研究意義[5].Fiocoo等[6]提出了利用瑞利(Rayleigh)散射多普勒展寬來(lái)探測(cè)大氣溫度的理論,相比于大氣分子的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼(Raman)信號(hào)強(qiáng)度,Rayleigh散射強(qiáng)度較大(約高3—4個(gè)量級(jí)),易實(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)信噪比(signal to noise ratio,SNR).因此,基于Rayleigh散射的高光譜激光雷達(dá)易實(shí)現(xiàn)全天時(shí)和高時(shí)空分辨率探測(cè)大氣溫度廓線,該方法也日益引起研究者的關(guān)注.目前,針對(duì)大氣溫度的全天時(shí)和高時(shí)空分辨率探測(cè)需求,國(guó)內(nèi)外發(fā)展出若干不同的Rayleigh散射高光譜激光雷達(dá)分光系統(tǒng).作為分光系統(tǒng)核心部件的分光器,主要采用分子濾波器、原子濾波器和法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)標(biāo)準(zhǔn)具分光[7?10],采用上述分光器件來(lái)構(gòu)建大氣回波信號(hào)分光系統(tǒng)的高光譜激光雷達(dá)已被應(yīng)用于大氣溫度廓線的探測(cè)中[11?14].然而,采用上述分光系統(tǒng)提取Rayleigh散射譜特征參量時(shí),僅可獲取譜上兩個(gè)特定點(diǎn)的能量信息,通過(guò)兩者的比值獲得散射譜寬的相對(duì)變化,用于反演大氣溫度,反演時(shí)需要響應(yīng)函數(shù)與校準(zhǔn)程序.因此,上述方法都屬于大氣溫度的相對(duì)測(cè)量.

目前,隨著電光晶體制備工藝的持續(xù)提高,不論是晶體的種類還是其內(nèi)部均勻性以及大幾何尺寸都取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展[15].以電光晶體作為F-P干涉儀固體腔介質(zhì)時(shí),通過(guò)周期變化的電壓信號(hào)來(lái)調(diào)制電光晶體的折射率,以達(dá)到連續(xù)改變F-P固體腔光學(xué)長(zhǎng)度的目的,進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)入射頻譜的掃描選頻.相對(duì)于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的氣體腔掃描F-P,電光晶體固體腔沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件,易于保證腔體平行度和選頻穩(wěn)定性.在本文中,利用MHz量級(jí)頻譜分辨率的固體腔掃描F-P干涉儀獲得Rayleigh散射譜多個(gè)離散點(diǎn)能量信息,結(jié)合殘余Mie散射信號(hào)抑制方法,精細(xì)探測(cè)大氣Rayleigh散射譜型,進(jìn)而獲得散射譜半高全寬(fullw id th at halfmaximum,FWHM),實(shí)現(xiàn)大氣溫度的絕對(duì)探測(cè)[16,17],即反演大氣溫度廓線時(shí)不需要響應(yīng)函數(shù)與校準(zhǔn)程序.該方法具有良好的應(yīng)用前景,對(duì)于同類激光雷達(dá)的分光系統(tǒng)研究具有借鑒意義.本文提出掃描分光方法,為我國(guó)高光譜測(cè)溫激光雷達(dá)陸基及星載載荷提供了一套可行的分光系統(tǒng)解決方案.

2 理論

由于氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)速率服從Maxwell分布,且空氣分子始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此氣體分子散射回波信號(hào)頻率將發(fā)生變化,將形成多譜勒展寬.由于分子多譜勒展寬的譜線形狀與溫度T1/2正相關(guān),因此利用高分辨率光譜檢測(cè)技術(shù)測(cè)量出譜線的形狀或FWHM,即可獲得該點(diǎn)的絕對(duì)溫度.在大氣回波信號(hào)中,氣壓將導(dǎo)致探測(cè)激光中心頻率兩側(cè)產(chǎn)生斯托克斯與反斯托克斯頻移分量,這種由于氣壓引起的散射稱為布里淵(Brillouin)散射.由于大氣分子平均自由程與目前激光雷達(dá)采用的探測(cè)激光波長(zhǎng)相當(dāng),因此由溫度引起的Rayleigh散射多普勒展寬與壓強(qiáng)引起的Brillouin散射譜型疊加形成的包絡(luò)譜通常為GHz量級(jí),并與Mie散射中心頻率重疊,如圖1所示.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型與S6模型[18],由于大氣中形成Brillouin散射的壓力分布相對(duì)穩(wěn)定,因此可忽略其在反演中的影響.在大氣溫度為T(mén)的熱平衡狀態(tài)下,大氣分子熱運(yùn)動(dòng)速度可表示為

式中,ux為大氣分子熱運(yùn)動(dòng)在x方向上的速度,m為大氣分子的分子質(zhì)量,k為玻爾茲曼常數(shù),T為大氣的絕對(duì)溫度.多普勒頻移v可表示為

式中,c為光速,v0為入射光頻率.由(1)式和(2)式可得出

假設(shè)

則F(ν,ν0)可表示為

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化可得

將A和B代入,大氣分子的Rayleigh譜函數(shù)R可表示為

大氣分子Rayleigh散射光譜的多普勒展寬的半高全寬?νT表示為

式中,λ0為入射光波長(zhǎng),與ν0相對(duì)應(yīng).實(shí)現(xiàn)大氣溫度的絕對(duì)探測(cè)需要從回波信號(hào)中提取與大氣溫度相關(guān)的Rayleigh散射譜型信息,以電光晶體作為固體腔的掃描F-P干涉儀可實(shí)現(xiàn)全譜信息的分離與提取,精細(xì)擬合散射譜型獲得其半高譜寬?νT,根據(jù)(8)式實(shí)現(xiàn)大氣溫度廓線的絕對(duì)探測(cè).

圖1 Ray leigh-B rillouin散射與Mie散射的包絡(luò)譜分布Fig.1.Envelope spectruMdistribu tion of Ray leigh-B rillouin and Mie scattering.

F-P干涉儀的功率傳輸函數(shù)TFP、自由光譜范圍?λFSR和3 dB帶寬?λres可分別表示為

式中,n為腔體介質(zhì)的折射率;l為F-P干涉腔幾何長(zhǎng)度;θ為入射角;λ為諧振波長(zhǎng);R為F-P腔平行端面的反射系數(shù);其中K=2π/λ.

當(dāng)電光晶體橫向施加外電場(chǎng)時(shí),其波前相位(折射率)會(huì)隨著電壓線性變化的現(xiàn)象稱為線性電光效應(yīng)[19,20].當(dāng)電光晶體橫向施加外電場(chǎng)時(shí),其折射率調(diào)制度?n與外調(diào)制電壓V的關(guān)系可表示為

式中,d為電極的長(zhǎng)度;n0為未加電壓時(shí)晶體的折射率;r為晶體的電光系數(shù).

在F-P固體腔中,假設(shè)電光晶體長(zhǎng)度為l,將(12)式代入(9)式,可獲得固體腔掃描F-P的功率傳輸函數(shù):

式中,Fe為固體腔F-P的精細(xì)度.通過(guò)外調(diào)制電壓V的改變,獲得不同的諧振波長(zhǎng).為減小Rayleigh散射譜的擬合誤差,實(shí)現(xiàn)大氣溫度的精細(xì)探測(cè),需對(duì)固體腔特征參數(shù)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì).

3 分光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2展示了高光譜測(cè)溫激光雷達(dá)分光系統(tǒng)光路的工作原理.包含Mie和Rayleigh散射的回波信號(hào)(return signal)經(jīng)透鏡1(L1)準(zhǔn)直后由分光棱鏡(BS)分為兩束,透反比為95:5.反射光束經(jīng)透鏡2(L2)聚焦后,利用微通道板光電倍增管1(PMT1)探測(cè)信號(hào)能量,用于歸一化數(shù)據(jù)處理.透射光束輸入固體腔掃描F-P(tunable F-P),利用電壓調(diào)制器(voltage modulator)輸出與回波信號(hào)同步觸發(fā)的周期性時(shí)變電壓信號(hào),用以調(diào)制電光晶體的折射率,實(shí)時(shí)改變F-P固體腔的光學(xué)腔長(zhǎng),進(jìn)而使固體腔掃描F-P透射中心頻率連續(xù)改變,最終實(shí)現(xiàn)高光譜掃描分光(掃描頻率為GHz量級(jí)).透射光束通過(guò)高光譜掃描分光系統(tǒng)后,再經(jīng)透鏡3(L3)聚焦后由微通道板光電倍增管2(PMT2)探測(cè)連續(xù)改變的離散點(diǎn)能量信息,根據(jù)微通道板光電倍增管的采樣頻率確定分光系統(tǒng)透射通道數(shù)量.為了增加分光系統(tǒng)透射通道數(shù)量,保證GHz量級(jí)譜寬的Rayleigh散射譜型的擬合精度,采取相同溫度條件下多次掃描方式提高采樣點(diǎn)數(shù)量.基于調(diào)制電壓與所選透射頻率惟一對(duì)應(yīng)關(guān)系,利用選取特定間隔的m個(gè)調(diào)制電壓值,在ti時(shí)刻(i=1,2,3,···)的單次掃描周期內(nèi)獲得m個(gè)透射頻率.在ti+1時(shí)刻的單次掃描周期內(nèi),改變調(diào)制電壓使m個(gè)透射頻率與上一次記錄的頻率產(chǎn)生同向頻差,以增加分光系統(tǒng)透射通道數(shù)量.

圖2 高光譜測(cè)溫激光雷達(dá)分光系統(tǒng)光路圖Fig.2.ExperiMental setup for fi lter systeMin hyperspectralMeasuring teMperature lidar.

此外,在掃描回波信號(hào)譜時(shí),需要將某一透射通道(IF)與激光頻率ν0重合探測(cè)Mie散射信號(hào)強(qiáng)度,用于對(duì)其他透射通道中殘余Mie信號(hào)的抑制.Mie散射是當(dāng)激光波長(zhǎng)小于或相當(dāng)粒子尺寸時(shí)產(chǎn)生的一種彈性散射,相對(duì)于激光頻率散射信號(hào)不會(huì)發(fā)生頻移與展寬,因此回波信號(hào)中Mie散射頻譜與探測(cè)激光頻譜相同.使用固體腔掃描F-P掃描探測(cè)激光頻譜,獲得各掃描透射通道中Mie散射的能量占比.在對(duì)回波信號(hào)掃描分光時(shí),根據(jù)與激光頻率ν0重合的透射通道中Mie散射信號(hào)能量與標(biāo)定其在掃描透射各通道中的占比,即可獲得各掃描透射通道中Mie散射信號(hào)強(qiáng)度,繼而實(shí)現(xiàn)Rayleigh散射信號(hào)中殘余Mie信號(hào)的抑制.

4 分析與討論

4.1 固體腔掃描F-P的初始參數(shù)設(shè)計(jì)

針對(duì)基于固體腔掃描F-P的高光譜分光系統(tǒng)需求,結(jié)合Rayleigh散射譜形特點(diǎn)與目前電光晶體的發(fā)展現(xiàn)狀,需要對(duì)固體腔掃描F-P的自由光譜區(qū)、固體腔幾何長(zhǎng)度、腔體介質(zhì)類型、FWHM、腔體反射率等特征參量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)高精度的大氣溫度廓線的全天時(shí)探測(cè).

4.1.1 自由光譜區(qū)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型,對(duì)流層的溫度區(qū)間通常處于200—300 K,圖3展示了發(fā)射激光波長(zhǎng)為三倍頻354.7 nm時(shí),大氣溫度分別為200和300 K的Rayleigh散射譜分布.由于圖3中大氣溫度為300 K的Rayleigh散射譜99.9%全寬小于11 GHz,利用固體腔掃描F-P獲取散射頻譜中離散點(diǎn)能量信息時(shí),為了避免固體腔F-P自由光譜區(qū)邊緣兩透射通道同時(shí)與Rayleigh-Brillouin散射譜重合,對(duì)離散點(diǎn)能量代入附加測(cè)量誤差.因此,固體腔F-P的自由光譜區(qū)取11 GHz.

圖3 大氣溫度為200和300 K的Ray leigh-B rillouin散射譜分布Fig.3.Spectra d istribu tion of Rayleigh-B rillouin scattering at the atMospheric teMperatu re of 200 and 300 K.

4.1.2 固體腔長(zhǎng)

當(dāng)大氣溫度為300 K、發(fā)射激光為354.7 nm時(shí),Rayleigh散射譜全高半寬?λ為2.3065×10?3nm(對(duì)應(yīng)頻譜寬度為5.5 GHz),則固體腔F-P掃描透射中心波長(zhǎng)應(yīng)處于354.7±2.3065×10?3nm區(qū)間內(nèi).根據(jù)(10)式,對(duì)應(yīng)固體腔F-P光學(xué)腔長(zhǎng)應(yīng)處于12.9685?8.328×10?5mm區(qū)間內(nèi),因此固體腔光學(xué)長(zhǎng)度可根據(jù)Rayleigh散射譜左端對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)與自由光譜區(qū)寬度進(jìn)行設(shè)計(jì).目前,可應(yīng)用于紫外波段的電光晶體主要包括磷酸二氘鉀(KD*P)和偏硼酸鋇(BBO),表1展示了上述兩種電光晶體的光學(xué)特性.由于BBO晶體的電光系數(shù)較小,以至于產(chǎn)生相同波前相位差需要較大的半波電壓,存在產(chǎn)生掃描電壓的控制電路復(fù)雜、加載掃描電壓精度要求高的缺點(diǎn).此外,BBO晶體的折射率較大,減小了固體腔內(nèi)電光晶體的幾何長(zhǎng)度,進(jìn)一步增大了掃描電壓.因此,F-P固體腔介質(zhì)選擇KD*P電光晶體.當(dāng)橫向調(diào)制時(shí),根據(jù)表1中該晶體折射率,對(duì)應(yīng)透射中心波長(zhǎng)354.6979 nm固體腔的幾何長(zhǎng)度為8.5mm.

表1 KD*P和BBO電光晶體的光學(xué)參數(shù)Tab le 1.Op tical paraMeters of the electro-op tical crystals of KD*P and BBO.

4.1.3 FWHM

利用固體腔F-P掃描Rayleigh散射譜時(shí),采用不同掃描間隔及FWHM條件獲取譜上離散點(diǎn)信息,以擬合Rayleigh散射譜,通過(guò)與理論模型譜比對(duì),獲得固體腔F-P的最優(yōu)FWHM及掃描間隔.綜合考慮F-P腔的插入損耗、端面反射率、端面缺陷等影響因素,選擇固體腔F-P的3 dB帶寬分別為60,150和240 MHz進(jìn)行對(duì)比及優(yōu)化設(shè)計(jì).圖4展示了大氣溫度分別為200,250和300 K時(shí),采用不同掃描間隔和FWHM獲得Rayleigh散射擬合譜與理論譜的誤差圖.

根據(jù)圖4所示,當(dāng)FWHM擬合誤差小于1%時(shí),固體腔F-P的FWHM和掃描間隔都取60 MHz.F-P固體腔介質(zhì)為KD*P電光晶體時(shí),根據(jù)(12)式掃描電壓為23.5 V.在掃描過(guò)程中,由于固體腔的光學(xué)長(zhǎng)度L隨掃描電壓而變化,表示為

圖4 采用不同掃描間隔和FW HM獲得的Ray leigh散射擬合譜與理論譜的誤差圖(a)60 MHz掃描間隔;(b)150 MHz掃描間隔;(c)240 MHz掃描間隔;(d)使用不同F(xiàn)WHMsFig.4.Errors between fi tted and theoretical spectra of Rayleigh scattering by using diff erent scanning intervals and FW HMs:(a)Scanning interval of 60 MHz;(b)scanning interval of 150 MHz;(c)scanning interval of 240 MHz;(d)using diff erent FWHMs.

式中,r=25 pm/V是KD*P晶體的電光系數(shù).由(14)式可以看出,電壓與光學(xué)腔長(zhǎng)和中心波長(zhǎng)都呈線性關(guān)系,如圖5所示.

圖5 T=200 K、掃描間隔為60 MHz時(shí),電壓、光學(xué)腔長(zhǎng)和中心波長(zhǎng)的關(guān)系Fig.5.Relationship between voltage,op tical cavity length and central wavelength by using the scanning interval of 60 MHz at the atMospheric teMperatu re of 200 K.

4.1.4 腔體反射率

根據(jù)固體腔F-P的3 dB帶寬分析可知,其對(duì)擬合誤差影響最大,且?guī)捲叫M合效果越好,但由于制作工藝限制,本文選取固體腔F-P的3 dB帶寬為60 MHz,固體腔幾何腔長(zhǎng)為8.5 mm,則由(10)式和(11)式可得腔體反射率R=98.38%.

4.2 分析

根據(jù)上述分析,表2展示了優(yōu)化的固體腔掃描F-P的自由光譜區(qū)、腔體幾何長(zhǎng)度、腔體介質(zhì)類型、3 dB帶寬、腔體反射率和掃描電壓(即掃描間隔).利用該固體腔掃描F-P可獲得Rayleigh散射譜上185個(gè)離散點(diǎn)信息,利用多項(xiàng)式插值的方法對(duì)上述點(diǎn)進(jìn)行擬合.圖6展示了大氣溫度分別為200,250和300 K時(shí),Rayleigh散射擬合譜型與理論譜型.當(dāng)大氣溫度為300 K時(shí),譜型最大絕對(duì)誤差為22MHz,?νT的誤差為337 kHz.

表3展示了激光器、望遠(yuǎn)鏡和PMT的使用參數(shù).利用表3參數(shù)結(jié)合掃描數(shù)據(jù)獲得如圖7所示SNR曲線.當(dāng)SNR為10時(shí),白天與夜晚的探測(cè)距離分別為4.5和7.9 km.將利用固體腔掃描F-P獲得的擬合譜型的?νT代入(8)式,可得大氣溫度廓線,如圖8中虛線所示,與由理論譜型計(jì)算的大氣溫度闊線最大誤差為0.8 K.

表2 固體腔掃描F-P的特征參數(shù)Tab le 2.Characteristic paraMeters of solid cavity scanning F-P.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)帶寬為60 MHz時(shí),Ray leigh散射理論和擬合譜圖(a)T=200 K;(b)T=250 K;(c)T=300 KFig.6.(color on line)Fitted and theoretical spectra of Rayleigh scattering at the bandw id th of 60 MHz:(a)T=200 K;(b)T=250 K;(c)T=300 K.

表3 器件參數(shù)表Tab le 3.Devices paraMeters.

圖7 白天與夜晚的SNR曲線Fig.7.SNR curves at day-tiMe and night-tiMe.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)在不同大氣溫度下使用掃描帶寬為60 MHz時(shí)擬合和理論瑞利散射譜FW HM,以及兩者的誤差Fig.8.(color on line)Fitted FW HMby using the scanning bandw id th of 60 MHz and theoretical FW HMof Ray leigh scattering spectra at the d iff erent atMospheric teMperatu re,and errors between them.

5 結(jié)論

針對(duì)大氣溫度的絕對(duì)探測(cè),本文提出了基于掃描式固體腔F-P干涉儀的大氣Rayleigh散射譜型精細(xì)探測(cè)方法,為大氣溫度的全天時(shí)和高精度絕對(duì)探測(cè)提供了全新的分光系統(tǒng)解決方案,進(jìn)一步為人類活動(dòng)關(guān)系密切、氣象要素日夜變化明顯的城市大氣邊界層內(nèi)溫度的精細(xì)觀測(cè)、為研究各類天氣過(guò)程的時(shí)空特征、變化規(guī)律及其物理機(jī)理,特別為城市熱島、高溫?zé)崂吮O(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)等城市氣象觀測(cè)提供有效的探測(cè)和研究手段[20].該研究對(duì)提高區(qū)域溫度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性以及建立數(shù)值模式、研究大氣污染擴(kuò)散等區(qū)域性氣候變化有著重要的研究?jī)r(jià)值和顯著的社會(huì)效益.

[1]Li Y J,Song S L,Li F Q,Cheng X W,Chen Z W,Liu L M,Yang Y,Gong S S 2015 Chin.J.Geophys.7 2294(in Chinese)[李亞娟,宋沙磊,李發(fā)泉,程學(xué)武,陳振威,劉林美,楊勇,龔順生2015地球物理學(xué)報(bào)7 2294]

[2]Gong X,Hua D X,Li S C,W ang J,Shi X J 2016 Acta Phys.Sin.65 073601(in Chinese)[鞏鑫,華燈鑫,李仕春,王駿,石曉菁2016物理學(xué)報(bào)65 073601]

[3]W ang H W,Hua D X,W ang Y F,Gao P,Zhao H 2013 Acta Phys.Sin.62 120701(in Chinese)[王紅偉,華燈鑫,王玉峰,高朋,趙虎2013物理學(xué)報(bào)62 120701]

[4]Liu J,Hua D X,Li Y 2007 Acta Opt.Sin.27 755(in Chinese)[劉君,華燈鑫,李言2007光學(xué)學(xué)報(bào)27 755]

[5]Nobuki K,Akihito H,ShuMpei K 2012 Laser Radar Techno logy and Applications XVII BaltiMore,Maryland,USA,May 1–3,2012 p8379

[6]Fiocco G,Beneditti MG,Maschberger K,Madonna E 1971 Nature Phys.Sci.229 78

[7]Guo J J,Yan S A,W u S H,Song X Q,Liu Z S 2008 J.Optoe.Laser 19 66(in Chinese)[郭金家,閆召愛(ài),吳松華,宋小全,劉智深2008光電子激光19 66]

[8]ShiMizu H,Lee S A,She C Y 1983 Appl.Opt.22 1373

[9]A lvarez R J,Caldwell L M,Li Y H,K rueger D A,She C Y 1990 J.AtMos.Ocean.Technol.7 876

[10]Hua D X,Uchida M,Kobayashi T 2005 Appl.Opt.44 1315

[11]G rau l J,Lilly T 2014 Opt.Express 22 20117

[12]Gu Z Y,W itschas B,Water W V D,Ubachs W 2013 Appl.Opt.52 4640

[13]Ma Y,Fan F,Liang K,LiH,Yu Y,Zhou B 2012 J.Opt.14 095703

[14]Gerakis A,Shneider MN,Barker P F 2011 Opt.Express 19 24046

[15]Li C S 2014 Acta Phys.Sin.63 074207(in Chinese)[李長(zhǎng)勝2014物理學(xué)報(bào)63 074207]

[16]W itschas B,Gu Z Y,Ubachs W 2014 Opt.Express 22 29655

[17]K ischkata J,Petersb S,SeMtsiva MP,W egnera T,E lagina M,Monasty rskyia G,F loresa Y,K urlova S,Masselink W T 2014 Infrared Phys.Techn.67 432

[18]A lvarez R J,Caldwell L M,Li Y H,K rueger D A,She C Y 1990 J.AtMos.Ocean.Technol.7 876

[19]Zhong D Z,She W L 2012 Acta Phys.Sin.61 064214(in Chinese)[鐘東洲,佘衛(wèi)龍2012物理學(xué)報(bào)61 064214]

[20]W ang Q M,Zhang Y M2006 Meteorol.Sci.Technol.34 246(in Chinese)[王青梅,張以謨2006氣象科技34 246]

(Received 5 DeceMber 2016;revised Manuscrip t received 21 January 2017)

PACS:92.60.hv,78.35.+c,42.68.W t,07.60.LyDOI:10.7498/aps.66.089202

*Pro ject supported by the National Natu ral Science Foundation of China(G rant Nos.61575159,41627807),the Natural Science Foundation of Shaanxi Province,China(G rant No.2016JM6010),the Scientifi c Research P lan Project of Shaanxi Education DepartMent,China(G rant No.15JK 1529),and the China Postdoctoral Science Foundation(G rant No.2015M570846).

?Corresponding author.E-Mail:dengxinhua@xaut.edu.cn

Investigation o f the abso lu te detection Method o f atMospheric teMperatu re based on solid cavity scann ing Fab ry-Perot interferoMeter?

Wang Jun CuiMeng Lu Hong Wang Li Yan Qing Liu Jing-Jing Hua Deng-Xin?

(School ofMechanical and Precision InstruMent Engineering,X i’an University of Technology,X i’an 710048,China)

A tMospheric teMperature is one of the iMportant paraMeters for description of the atMospheric state.A t p resent,the measurement methods based on Rayleigh scattering are eMp loyed to relatively detect atmospheric teMperature profi les.That is to say,the definition of response functions and calibration procedures is required for teMperature retrieval.Because the therMal Motion rate of gas Molecule coMp lies w ith Maxwell distribution,and gas Molecule is always in motion state,the frequency of scattering return signal generates Dopp ler spectral broadening.There is a positive correlation between the fullw idth at halfMaximuMofw idened Dopp ler spectruMand T1/2,atMospheric absolute teMperature can be obtained by Measuring the Dopp ler spectruMshape.In this paper,the fine detection Method of the spectruMshape of Rayleigh scattering and residuary Mie-scattering correction method based on solid cavity scanning Fabry-Perot(F-P)interferoMeter are investigated.According to the characteristics of Ray leigh scattering spectrum,the free spectral range,the geoMetric length of solid cavity,the type of cavity Media,the fu ll w id th at halfMaximum,the reflectivity of cavity,and the scanning step are designed.W hen the electro-optical crystalof KD*P w ith the length of 8.5 mMacts as solid cavity MediuMof scanning F-P interferoMeter,the designed free spectral region and 3 dB bandw id th are 11.5 GHz and 60 MHz at the central wavelength of 354.7 nm,respectively.The energy datuMof 185 discrete points at Rayleigh scattering spectruMare obtained by using an optiMized solid cavity scanning F-P interferometer w ith the scanning voltage of 23.5 V.A fi tting spectruMis generated by eMp loying polynoMial interpolation Method at the atmospheric teMperature of 300 K.ThemaximuMabsolute error and fu llw id th at halfmaximuMerror of Rayleigh scattering spectruMare 22 MHz and 337 kHz,respectively.In order to verify the results,a nuMerical simu lation of Ray leigh scattering spectruMbased on standard atMosphereModeland S6model is perforMed.The detection uncertainty of atmospheric temperature is up to 0.8 K.As SNR(signal to noise ratio)is 10,the detection distance is 4.5 and 7.9 kMat day-tiMe and night-tiMe,respectively.The research p rovides a new solution of fi lter systeMfor the achieveMent of all-tiMe,high-precision,and absolute detection of atMospheric teMperature in the future.In Meteorology,in order to investigate the teMporal and spatial characteristics,the change ru les and physicalmechanisMof weather p rocesses,the teMperature in the boundary layer of urban atMosphere is absolutely detected,where huMan activities are frequent and the changesofweather eleMentsare obviously at day and night.In addition,the absolute detectionMethod ofatMospheric teMperature can p rovide the valid means to research urban heat island,weather forecast for urban environment,and high teMperature alert.In environMental studies,the absolute detection of atMospheric teMperature can p rovide the big aMount of scientific data for establishMent of nuMericalModel and research on air pollution diff usion.There is reference significance for the investigation of fi lter systeMof siMilar lidar.Simultaneously,the scanning fi ltermethod provides a feasible solution for the fi lter systeMw ith the characteristics ofMiniaturization,high anti-interference and high stability in the space-based p latform.

atmospheric teMperature,Rayleigh scattering spectrum,hyperspectral lidar,solid cavity scanning Fabry-Perot interferometer

10.7498/aps.66.089202

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61575159,41627807)、陜西省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):2016JM6010)、陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):15JK 1529)和中國(guó)博士后科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):2015M570846)資助的課題.

?通信作者.E-Mail:dengxinhua@xau t.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)C h inese P hysica l Society

http://w u lixb.iphy.ac.cn