1 引言

多普勒测风激光雷达能够实时提供大气温度、风速、风向等信息,是大气科学研究、空间环境监测预报等领域的重要观测手段。国内自2010 年中国科学院国家空间科学中心研制出第一台窄带风温探测激光雷达以来,中国科技大学、中国科学院武汉物理与数学研究所等多家单位相继在窄带测风激光雷达领域有了突破性的研究发展^[1-4],目前已实现了钠层峰值区(约91 km)风场1 m/s和钠层边缘(约82 km和103 km)约5 m/s的高精度钠层风温探测^[5]。在激光雷达风场与温度的数据反演中,激光谱型是其重要的参数,精确测量激光线宽是提高激光雷达反演精度的主要手段。标准具或干涉仪是一种高精度波长测量器件,已在连续光激光光谱测量中得到广泛应用^[6-7]。然而,对于脉冲激光来说,由于其时间很短(纳秒量级),因此不能采用常规探测和普通低速模数(AD)采样卡,必须采用几乎达到吉赫兹量级的高速采样卡,这种卡一般很难购买,而且价格不菲。在常用的激光谱型测量方法中,波长计的测量精度在0.1 GHz量级,难以满足多普勒测风激光雷达的监测需求;采用固定法布里-珀罗(FP)标准具测量时,需要扫描激光器输出频率,这会影响激光雷达的正常工作状态,因此无法实现在线实时监测。相比之下,FP干涉仪(FPI)兼具测量精度高和实时在线扫描的特点,配合门积分器的FPI可用于窄线宽纳秒脉冲激光谱型的测量。李润华等^[8]曾使用自行搭建的扫描标准具测出三种不同结构染料激光器输出的脉冲激光线宽;宋宝安等^[9]利用多光束干涉原理搭建了测量装置,测出了多普勒测光测速雷达的线宽。这些脉冲激光谱型测量装置均以示波器或面阵电荷耦合元件(CCD)相机等作为实验记录装置,系统集成化程度较低,数据处理需要事后进行,不能实时在线监测激光的谱型,无法满足高精度测风激光雷达的探测需求。本文利用FPI、门积分器和高性能模数采样卡等设备搭建了集成度较高的脉冲激光谱型测量系统,该系统结合自主编写的谱型测量软件能够自动测量脉冲激光谱型。使用该套系统对测风激光雷达的激光束进行了在线测量,监测了激光雷达光源的工作状态,为确保激光雷达的探测精度和稳定性提供了技术保障。

2 原理与方法

本研究使用的FPI为扫描式共焦型FPI,如图1所示。该干涉仪主要由两块反射率大于99.7%的具有相同曲率半径的球面反射镜M₁和M₂组成,其中M₁固定不变,M₂固定在压电陶瓷上,通过调整压电陶瓷的外加电压可以改变FPI的腔长L。设FPI腔内折射率为n,若入射激光波长λ与腔长L满足:

4nL=mλ,m=1,2,…,N,(1)

则透射光强达到最大值。当腔长L变化λ/4时,透射光从一个极大值跳到另一个极大值,对应频率变化一个自由光谱范围。

图 1. 扫描式共焦型FPI

Fig. 1. Scanning confocal FPI

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对于连续光激光器来说,激光线宽的测量比较容易,但脉冲激光则不一样。由于本研究中的测量对象为脉冲激光,脉冲频率为30 Hz,对应的时间宽度为33 ms,而其脉冲时间宽度为8~10 ns,占空比为10^-6量级,也即大部分时间是没有光信号的,因此很难直接使用数字采集卡采集。为此,利用Boxcar门控积分平均器对超短脉冲信号进行积分累加处理,将其变成直流电平信号,便于模数转换和信号采集。在实际测量过程中,激光脉冲具有能量差异,因此采用在每个腔长获取多个脉冲信号进行平均的方法来消除该差异对测量精度产生的影响,以便最终获得脉冲激光谱型。

3 系统设计

测量系统包含硬件部分和软件部分:硬件部分由光路控制、电压控制和信号采集模块构成;软件部分实现对FPI腔长的精确控制、数据处理和系统状态显示等功能。

3.1 硬件部分

该套测量系统的硬件构成如图2所示。

图 2. 系统硬件构成

Fig. 2. System hardware composition

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从激光雷达发射光束中分出的一束脉冲光束垂直进入FP100型高精度球面共焦腔FPI(Toptica公司)中,出射光经PDA100A型光电探测器(Thorlabs公司)转换成电信号,纳秒脉冲的电信号输入到SR250型Boxcar平均器(Stanford Research Systems公司)中进行平均。计算机(PC)通过USB-6212 BNC型高性能模数采样器(DAQ,National Instruments公司)采集Boxcar平均器的输出信号,同时通过TPZ001电压控制器(Thorlabs公司)对FPI的腔长进行控制。该套系统中的主要硬件设备参数如表1所示。

3.2 软件部分

在Visual Studio 2013开发平台上使用WPF(Windows Presentation Foundation)编写软件,结合硬件设备公司提供的软件开发工具包(SDK),实现对测量系统的控制及信号的采集、处理和存储。软件流程图如图3所示。

图 3. 软件流程图

Fig. 3. Software flow chart

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软件启动使模数采样器处于等待接收状态,Boxcar信号平均器在完成脉冲信号处理后发出同步信号,通知模数采样器接收数据,计算机利用模数采样器获取足够多个脉冲信号后对数据进行二次处理,并通过电压控制器改变FPI的腔长。系统在软件的自动控制下循环上述过程,直到完成预设FPI扫描范围。

软件主界面如图4所示。在软件主界面上可以对信号采集通道、触发通道和扫描电压等进行设置,实时显示谱型测量结果和系统状态。软件能够自动按照预设采集周期完成数据采集,并存储测量结果。

图 4. 软件界面

Fig. 4. Software interface

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4 测试与结果

为了验证系统的测量精度,使用该套系统测量窄线宽为589 nm的连续激光。设置电压控制器的扫描范围为45~75 V,计算机每接收5个脉冲信号改变一次电压控制器的输出电压。谱型测量结果如图5所示。

图 5. 连续激光谱型测量结果

Fig. 5. Spectral pattern detection result of continuous laser

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图5以FPI的扫描电压为横坐标,以Boxcar平均器输出信号(FPI透射光强)为纵坐标,整个扫描过程出现了6个峰,对应6个透射光强的极大值,每个极大值之间对应的频率变化为一个自由光谱范围。记待测峰的半峰全宽(即峰值高度一半时的峰宽度)为d,该峰与右侧相邻峰的峰间距为D,则待测峰的线宽的计算公式为

w12=Rfs·d/D,(2)

式中:R_fs为自由光谱范围,本研究中所用FPI自由光谱范围为1 GHz。

利用(2)式计算图中第一个峰的线宽,其半峰全宽d=0.05 V,它与第二个峰的峰间距D=5.01 V,则第一个峰的线宽为9.98 MHz,约为10 MHz。

以同样的方法计算其余峰的线宽,结果见图5中标注。测得5个峰的平均线宽约为11 MHz,该结果和激光器出厂线宽(<10 MHz)、FPI透射谱宽的卷积值一致,说明该套测量系统的测量精度满足测量脉冲激光谱型的要求。

使用这套系统测量钠层风温激光雷达脉冲激光的线宽,设置电压控制器的电压扫描范围为45~75 V,系统每接收5个脉冲信号改变一次电压控制器的输出电压(0.01 V)。谱型测量结果如图6所示。

图 6. 脉冲激光谱型测量结果

Fig. 6. Spectral pattern detection result of pulsed laser

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图6以FPI的扫描电压为横坐标,以Boxcar平均器输出信号(FPI透射光强)为纵坐标,在整个扫描过程中一共出现8个峰,即透射光强出现8个极大值。

用(2)式计算图6中各峰的线宽,计算结果如图6标注所示。测得7个峰(第8个峰无右侧相邻峰,故不作计算)的平均线宽为124 MHz。为了避免极端数据对线宽计算结果造成影响,去除线宽最大值140 MHz和最小值108 MHz,最终得到平均线宽为123 MHz。

为了与上述测量结果进行对比,关闭电压控制器以保持FPI腔长L不变,入射激光的输出频率以30 MHz/s的速度变化,使用测量系统的信号采集模块进行数据采集,谱型测量结果如图7所示。

激光脉冲频率为30 Hz,每5个激光脉冲(≈0.16 s)获取一次谱型数据,以时间为横坐标,以Boxcar平均器输出信号(FPI透射光强)为纵坐标绘出谱型图。由图7可以看出,激光器自扫过程中出现了8个峰,对应8个透射光强的极大值,每个极大值之间相距一个自由光谱范围。同样利用(2)式计算出线宽,去除最大线宽141 MHz和最小线宽121 MHz,得到平均线宽为131 MHz。

图 7. 脉冲激光自扫描谱型测量结果

Fig. 7. Self-scanning spectral pattern detection result of pulsed laser

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经过FPI扫描和激光器自扫对比测试可知,该套测量系统测得该标准激光器的平均线宽约为123 MHz,与激光器出厂值120 MHz相当,也与国外研究者给出的测量值近似^[10]。虽然FPI使用的压电陶瓷因受电压变化影响而可能存在非线性问题,但本研究所施加的扫描电压(45~75 V)处于压电陶瓷的扫描电压范围(0~150 V)的中间段,非线性效应影响较小,因此将压电陶瓷形变量随电压的变化近似为线性关系。

5 结论

多普勒测风激光雷达激光器的线宽通常在100 MHz量级,脉冲时间宽度约为10 ns,脉冲频率小于100 Hz,故而在毫秒量级周期内提取纳秒量级信号在技术上具有挑战性。本研究利用高精度FPI和Boxcar平均器等光电设备构建了检测系统,通过自主研发专门软件,实现了脉冲激光谱型的实时在线监测。经过多次实验验证得到的测量结果和激光器的出厂值基本一致,能满足测风激光雷达的精度要求。后续拟以该套测量系统为基础,增加反馈模块,直接将谱型测量结果反馈至激光雷达系统,这样能够有效避免激光的频移和跳模对激光雷达探测的影响,为测风激光雷达的精确测量和稳定工作提供保障。