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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

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

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    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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    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]

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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

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    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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    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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    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

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    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

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    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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    [21]

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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]

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    [2] 韩舸, 龚威, 马昕, 相成志, 梁艾琳, 郑玉新. 地基CO2廓线探测差分吸收激光雷达. 物理学报, 2015, 64(24): 244206. doi: 10.7498/aps.64.244206
    [3] 李志彬, 马宏亮, 曹振松, 孙明国, 黄印博, 朱文越, 刘强. 2μm波段高灵敏度离轴积分腔装置实际大气CO2测量. 物理学报, 2016, 65(5): 053301. doi: 10.7498/aps.65.053301
    [4] 蒙大桥, 罗文华, 李赣, 陈虎翅. Pu(100)表面吸附CO2的密度泛函研究. 物理学报, 2009, 58(12): 8224-8229. doi: 10.7498/aps.58.8224
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    [7] 王振, 杜艳君, 丁艳军, 彭志敏. 波长调制-直接吸收方法在线监测大气中CH4和CO2浓度. 物理学报, 2020, 69(6): 064205. doi: 10.7498/aps.69.20191569
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    [15] 王婷, 王普才, 余环, 张兴赢, 周斌, 司福祺, 王珊珊, 白文广, 周海金, 赵恒. 多轴差分吸收光谱仪反演大气NO2的比对试验. 物理学报, 2013, 62(5): 054206. doi: 10.7498/aps.62.054206
    [16] 吴丰成, 李昂, 谢品华, 陈浩, 凌六一, 徐晋, 牟福生, 张杰, 申进朝, 刘建国, 刘文清. 车载多轴差分吸收光谱探测对流层NO2分布研究. 物理学报, 2015, 64(11): 114211. doi: 10.7498/aps.64.114211
    [17] 徐晋, 谢品华, 司福祺, 李昂, 刘文清. 机载多轴差分吸收光谱技术获取对流层NO2垂直柱浓度的研究. 物理学报, 2012, 61(2): 024204. doi: 10.7498/aps.61.024204
    [18] 王杨, 谢品华, 李昂, 曾议, 徐晋, 司福祺. 直射太阳光差分吸收光谱法测量合肥NO2 整层柱浓度. 物理学报, 2012, 61(11): 114209. doi: 10.7498/aps.61.114209
    [19] 周海金, 刘文清, 司福祺, 窦科. 多轴差分吸收光谱技术测量近地面NO2体积混合比浓度方法研究. 物理学报, 2013, 62(4): 044216. doi: 10.7498/aps.62.044216
    [20] 喻 松, 张 华, 申 静, 张永军, 顾畹仪. 基于双通构型的和频、差频可变波长路由方案及其应用. 物理学报, 2008, 57(2): 909-916. doi: 10.7498/aps.57.909
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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.

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参考文献 (24)

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