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基于匹配算法的脉冲差分吸收CO2激光雷达的稳频研究

马昕 龚威 马盈盈 傅东伟 韩舸 相成志

基于匹配算法的脉冲差分吸收CO2激光雷达的稳频研究

马昕, 龚威, 马盈盈, 傅东伟, 韩舸, 相成志
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  • 利用差分吸收激光雷达探测大气CO2, 可以获得其浓度的垂直分布, 对于研究碳源、碳汇的过程有重要意义. 设计了一套种子注入的脉冲差频激光器系统, 作为差分吸收激光雷达的激光光源. 针对脉冲差分吸收CO2激光雷达on波长的高精度稳频的研究空白, 本文提出一种基于匹配的on波长的连续稳频算法. 其基本思想是采用分子饱和吸收法, 测量通过双路吸收池后的差分信号, 计算其光学厚度值(optical depth, OD), 获得实测的伪吸收谱, 当监测到on波长发漂移后, 进行连续的波长调节, 获取其OD值, 最后基于一维的图像匹配算法, 将OD值作为灰度值, 利用图像匹配原理, 进行OD值匹配, 确定当前输出波长在伪吸收谱中的位置, 进而调节至on波长, 实现on波长的连续、稳定输出. 实验结果表明, 提出的稳频算法能够很好的满足高精度的稳频要求, 同时差平方和法在该应用中是最优的, 稳频精度可达到0.3 pm.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 41127901)和中央高校基本科研业务费专项资金资助(批准号: 2014619020201)资助的课题.
    [1]

    Bauer J E, Cai W J, Raymond P A, Bianchi T S, Hopkinson C S, Regnier P A 2013 Nature 504 61

    [2]

    Regnier P, Friedlingstein P, Ciais P, Mackenzie F T, Gruber N, Janssens I A, Laruelle G G, Lauerwald R, Luyssaert S, Andersson A J 2013 Nature Geoscience 6 597

    [3]

    Fung I Y, Doney S C, Lindsay K, John J 2005 Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102 11201

    [4]

    Pliutau D, Prasad N S 2012 Laser Applications to Chemical, Security and Environmental Analysis San Diego, California, United States, January 29-February 1, 2012 LT6B.10

    [5]

    Abshire J B, Riris H, Allan G R, Weaver C J, Mao J P, Sun X L, Hasselbrack W E, Yu A, Amediek A, Choi Y, Browell E V 2010 Proc. SPIE7832, Lidar Technologies, Techniques, and Measurements for Atmospheric Remote Sensing VI, Toulouse, France, September 20, 2010 78320D-13

    [6]

    Numata K, Chen J R, Wu S T, Abshire J B, Krainak M A 2011 Appl. Opt. 50 1047

    [7]

    Sakaizawa D, Nagasawa C, Nagai T, Abo M, Shibata Y, Nakazato M, Sakai T 2009 Appl. Opt. 48 748

    [8]

    Allan G R, Riris H, Abshire J B, X. Sun, Wilson E, Burris J F, Krainak M A 2008 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, Montana, United States, March 1-8, 2008 p1

    [9]

    Abshire J B, Riris H, Allan G R, Weaver C J, Mao J, Sun X, Hasselbrack W E, Kawa S R, Biraud S 2010 Tellus B 62 770

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    Yu H, Hu S, Wu X Q, Cao K F, Meng X Q, Yuan K E, Huang J, Shao S S, Xu Z H 2012 Acta Optica Sinica 32 (8) 13 (in Chinese) [于海利, 胡顺星, 吴晓庆, 曹开法, 孟祥谦, 苑克娥, 黄见, 邵石生, 徐之海 2012光学学报 32 (8) 13]

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    Zhao P T, Zhang Y C, Wang L, Hu S X, Su J, Cao K F, Zhao Y F, Hu H L 2008 Chin. Phys. B 17 010335

    [13]

    Liu H, Shu R, Hong G L, Zheng L, Ge Y, Hu Y H 2014 Acta Phys. Sin. 63 104214 (in Chinese) [刘豪, 舒嵘, 洪光烈, 郑龙, 葛烨, 胡以华 2014 物理学报 63 104214]

    [14]

    Cheng B, Wang Z Y, Wu B, Xu A P, Wang Q Y, Xu Y F, Lin Q 2014 Chin. Phys. B 23 104222

    [15]

    Raybaut M, Schmid T, Godard A, Mohamed A K, Lefebvre M, Marnas F, Flamant P, Bohman A, Geiser P, Kaspersen P 2009 Opt. Lett. 34 2069

    [16]

    Ishii S, Mizutani K, Fukuoka H, Ishikawa T, Baron, P Iwai H, Aoki T, Itabe T, Sato A, Asai K 2010 Proc. SPIE 7860, Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring XI Incheon, Republic of Korea, October 28, 2010 786004

    [17]

    Ge Y, Hu Y H, Shu R, Hong G L 2015 Acta Phys. Sin. 64 020702 (in Chinese) [葛烨, 胡以华, 舒嵘, 洪光烈 2015 物理学报 64 020702]

    [18]

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    [19]

    Gong W, Ma X, Dong Y N, Lin H, Li J 2014 Opt. Laser Technol. 56 52

    [20]

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    [21]

    Rothman L S, Gordon I E, Barbe A, Benner D C, Bernath P F, Birk M, Boudon V, Brown L R, Campargue A, Champion J P 2009 J. Quant. Spectrosc. Ra. 110 533

    [22]

    Zhu X F, Lin Z X, Liu L M, Shao J Y, Gong W 2014 Acta Phys. Sin. 63 174203 (in Chinese) [朱湘飞, 林兆祥, 刘林美, 邵君宜, 龚威 2014 物理学报 63 174203]

    [23]

    Xiang C Z, Gong W, Ma X, Cheng X W 2014 Acta Optia Sinica 9 161 (in Chinese) [相成志, 龚威, 马昕, 程学武 2014 光学学报 9 161]

    [24]

    Zhang J Q, Pan L, Wang S G 2009 Photogrammetry (Hubei: Wuhan University Press) pp152-157 (in Chinese) [张剑清, 潘励, 王树根 2009 摄影测量学 (湖北: 武汉大学出版社) 第152-157页]

  • [1]

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    Regnier P, Friedlingstein P, Ciais P, Mackenzie F T, Gruber N, Janssens I A, Laruelle G G, Lauerwald R, Luyssaert S, Andersson A J 2013 Nature Geoscience 6 597

    [3]

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    [4]

    Pliutau D, Prasad N S 2012 Laser Applications to Chemical, Security and Environmental Analysis San Diego, California, United States, January 29-February 1, 2012 LT6B.10

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    [6]

    Numata K, Chen J R, Wu S T, Abshire J B, Krainak M A 2011 Appl. Opt. 50 1047

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    Sakaizawa D, Nagasawa C, Nagai T, Abo M, Shibata Y, Nakazato M, Sakai T 2009 Appl. Opt. 48 748

    [8]

    Allan G R, Riris H, Abshire J B, X. Sun, Wilson E, Burris J F, Krainak M A 2008 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, Montana, United States, March 1-8, 2008 p1

    [9]

    Abshire J B, Riris H, Allan G R, Weaver C J, Mao J, Sun X, Hasselbrack W E, Kawa S R, Biraud S 2010 Tellus B 62 770

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    [11]

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    [12]

    Zhao P T, Zhang Y C, Wang L, Hu S X, Su J, Cao K F, Zhao Y F, Hu H L 2008 Chin. Phys. B 17 010335

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    [15]

    Raybaut M, Schmid T, Godard A, Mohamed A K, Lefebvre M, Marnas F, Flamant P, Bohman A, Geiser P, Kaspersen P 2009 Opt. Lett. 34 2069

    [16]

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    [17]

    Ge Y, Hu Y H, Shu R, Hong G L 2015 Acta Phys. Sin. 64 020702 (in Chinese) [葛烨, 胡以华, 舒嵘, 洪光烈 2015 物理学报 64 020702]

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    Rothman L, Gordon I, Babikov Y, Barbe A, Chris Benner D, Bernath P, Birk M, Bizzocchi L, Boudon V, Brown L 2013 J. Quant. Spectrosc. Ra. 130 4

    [21]

    Rothman L S, Gordon I E, Barbe A, Benner D C, Bernath P F, Birk M, Boudon V, Brown L R, Campargue A, Champion J P 2009 J. Quant. Spectrosc. Ra. 110 533

    [22]

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    Xiang C Z, Gong W, Ma X, Cheng X W 2014 Acta Optia Sinica 9 161 (in Chinese) [相成志, 龚威, 马昕, 程学武 2014 光学学报 9 161]

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    Zhang J Q, Pan L, Wang S G 2009 Photogrammetry (Hubei: Wuhan University Press) pp152-157 (in Chinese) [张剑清, 潘励, 王树根 2009 摄影测量学 (湖北: 武汉大学出版社) 第152-157页]

  • [1] 李闯, 李伟伟, 蔡理, 谢丹, 刘保军, 向兰, 杨晓阔, 董丹娜, 刘嘉豪, 陈亚博. 基于银纳米线电极-rGO敏感材料的柔性NO2气体传感器. 物理学报, 2020, 69(5): 058101. doi: 10.7498/aps.69.20191390
    [2] 刘丽, 刘杰, 曾健, 翟鹏飞, 张胜霞, 徐丽君, 胡培培, 李宗臻, 艾文思. 快重离子辐照对YBa2Cu3O7-δ薄膜微观结构及载流特性的影响. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191914
    [3] 梁琦, 王如志, 杨孟骐, 王长昊, 刘金伟. Al2O3衬底无催化剂生长GaN纳米线及其光学性能研究. 物理学报, 2020, (): . doi: 10.7498/aps.69.20191923
  • 引用本文:
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计量
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  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2015-02-04
  • 修回日期:  2015-04-19
  • 刊出日期:  2015-08-05

基于匹配算法的脉冲差分吸收CO2激光雷达的稳频研究

  • 1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室, 武汉 430079;
  • 2. 地球空间信息技术协同创新中心, 武汉 430079;
  • 3. 武汉大学遥感信息工程学院, 武汉 430079
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 41127901)和中央高校基本科研业务费专项资金资助(批准号: 2014619020201)资助的课题.

摘要: 利用差分吸收激光雷达探测大气CO2, 可以获得其浓度的垂直分布, 对于研究碳源、碳汇的过程有重要意义. 设计了一套种子注入的脉冲差频激光器系统, 作为差分吸收激光雷达的激光光源. 针对脉冲差分吸收CO2激光雷达on波长的高精度稳频的研究空白, 本文提出一种基于匹配的on波长的连续稳频算法. 其基本思想是采用分子饱和吸收法, 测量通过双路吸收池后的差分信号, 计算其光学厚度值(optical depth, OD), 获得实测的伪吸收谱, 当监测到on波长发漂移后, 进行连续的波长调节, 获取其OD值, 最后基于一维的图像匹配算法, 将OD值作为灰度值, 利用图像匹配原理, 进行OD值匹配, 确定当前输出波长在伪吸收谱中的位置, 进而调节至on波长, 实现on波长的连续、稳定输出. 实验结果表明, 提出的稳频算法能够很好的满足高精度的稳频要求, 同时差平方和法在该应用中是最优的, 稳频精度可达到0.3 pm.

English Abstract

参考文献 (24)

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