連續波差分吸收激光雷達探測路徑大氣CO2平均濃度

洪光烈，梁新棟，2，劉 豪*，章樺萍，2，舒 嶸，2

1. 中國科學院空間主動光電技術重點實驗室，中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083 2. 中國科學院大學，北京 100049

引 言

差分吸收激光雷達(DIAL)探測大氣二氧化碳濃度，這一課題比較早受到科學家們的重視，尤其在NASA Langley Research Center的Koch G J, Barnes B W, Petros M等科學家發明了Ho∶Tm∶YLF全固態激光器和InGaAsSb光電二極管之后，在國際上形成了2.05 μm差分吸收激光雷達探測對流層二氧化碳廓線的研究熱點[1]； 然而，研究表明大氣在2.05 μm波段的后向散射截面較小，具有距離分辨的廓線探測是十分困難的[2]，在1.57 μm波段，也存在大氣后向散射信號較弱、光子計數噪聲大、信噪比低等問題[3-4]。 因此，有些科學家轉向以硬目標反射光作為回波的路徑積分式差分吸收激光雷達(IPDA)探測對流層二氧化碳的柱濃度的研究[5-8]，如NASA Goddard Space Flight Center的科學家James B Abshire, Haris Riris等，為ASCENDS(Active Sensing of CO2Emission over Nights, Days and Seasons)計劃進行了以高重頻激光脈沖、機載路徑積分差分吸收激光雷達探測垂直二氧化碳柱濃度的實驗[9-11]； 2015年，德國A.Amediek等在CHARM-F (CO2and CH4Remote Monitoring Flugzeug)計劃支持下，研制了基于種子注入光參量振蕩器(OPO)的1.57和1.645 μm脈沖路徑積分差分吸收激光雷達系統[12]，并且實現了機載垂直方向大氣二氧化碳和甲烷柱濃度的測量。 Amediek等提出利用Nd∶YAG激光器泵浦的種子注入式KTP-OPO作為發射機，其中探測波長的種子光利用36 m的(CO2/20 hPa, CH4/6 hPa)氣體池進行穩頻。 通過高速光開關輪流把探測波長on-line和參考波長off-line的種子光切換至OPO諧振腔內，經過OPO變換后的1.57 μm/1.645 μm激光脈沖(10 mJ/50 Hz)垂直發射到地面，利用PIN探測器和APD探測器接收反射光信號來測量大氣甲烷和二氧化碳柱濃度，測量結果表明其測量精度在1%以下；……