红外与激光工程
2023, 52(10): 20230076
1 西安理工大学机械与精密仪器工程学院, 陕西 西安 710048
2 中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
利用转动拉曼信号和振动拉曼信号获得大气温度廓线和大气湿度廓线,根据大气压力与温度、湿度的相互关系反演得到大气压力廓线。给出了探测大气压力的激光雷达系统及数据反演方法,并对所提方法的可行性进行了论证。研究分析了引起压力反演误差的因素,误差来源主要有三方面:温度偏差、参考点压力偏差和大气比湿。利用拉曼激光雷达系统进行了大气探测及压力反演,反演得到大气压力廓线,并与当天探空压力数据进行了比对分析,得到了较好的反演结果,证明了研究方法的可行性。最后从应用需求角度分析了高精度压力探测对激光雷达系统的性能要求。
大气光学 压力 激光雷达 转动拉曼信号 振动拉曼信号 温度 光学学报
2020, 40(15): 1501001
1 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学电子测试技术国防科技重点实验室, 山西 太原 030051
为了提升光纤拉曼检测系统的响应速度,提出一种基于结构牢固、易于气体扩散的开放式微结构光纤的气体拉曼检测系统。为了深入研究拉曼信号与微结构光纤结构参数的依赖关系,推导出基于前向/后向拉曼耦合的拉曼信号公式,并根据此公式完成对气体光纤拉曼检测系统的结构优化。通过优化光纤结构实现了增强系统灵敏度特性的目的。分析结果表明,拉曼信号强度与光纤结构之间存在一最佳值,最佳值(纤芯、悬臂厚度)取决于基底材料折射率、纤芯直径和悬臂厚度等具体的光纤结构参数。二氧化硅材料光纤的拉曼信号较强区域条件是纤芯厚度为120~150 nm。
光谱学 拉曼检测 开放式微结构光纤 前向/后向拉曼耦合 光纤传感 激光与光电子学进展
2015, 52(6): 060604
中国海洋大学光学光电子实验室, 山东 青岛 266100
对海水中溶存气体(甲烷、 二氧化碳等)的探测是海洋环境监测和资源探测的重要环节, 由于拉曼光谱技术可实现多组分同时探测的优势, 被视为发展海洋溶存气体探测技术的首选, 而探测灵敏度的提高则是推动该项技术实用化的关键。 针对提高拉曼光谱气体探测灵敏度这一问题, 设计并搭建了一套基于近共心腔拉曼信号增强系统, 开展了信号收集方向和激发光多次散射模式对信号强度和信噪比影响的研究。 研究发现, 信号收集方向与腔镜光轴之间的夹角越小, 所收集的信号越强、 信噪比越大, 当夹角为30度时, 信噪比是垂直方向的16倍; 近共心腔直线型多次反射模式, 与共心腔模式相比信噪比增强了近三倍。 采用最优化实验条件, 该系统与常规拉曼系统相比, 信号强度和信噪比增强效果均在70倍左右。 根据该系统对空气中CO2的相应强度(空气中CO2的浓度为0.648 mg·L-1), 以三倍于噪声强度计算检测限, 估算出该系统对CO2的探测灵敏度约为0.19 mg·L-1, 依据CO2与CH4拉曼散射截面比为1/6, 估算该系统对甲烷的检测限约为11.5 μg·L-1。
拉曼信号增强 近共心腔 探测灵敏度 甲烷 Raman signal enhancement Near concentric cavity Detection sensitivity Methane
吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130021
在分布式光纤温度传感器(DTS)的系统分析中, 所探测到的含有温度信息的后向拉曼散射信号的强度十分微弱, 并且所携带的噪声很大, 严重影响了测温精度。针对该系统存在的噪声, 提出了将小波变换和经验模态分解(EMD)相结合的方法对拉曼信号进行信号处理。实验结果表明: 该方法能够有效地去除系统中的噪声, 很好地保留了信号的有用部分, 系统的信噪比由原来的5.7dB提高到15dB, 系统的平均测温误差也由原来的2.8℃降到0.5℃, 从而得到更加精确的温度值。
小波变换 去噪 光纤传感 拉曼信号 EMD EMD wavelet transform de-noising fiber optic sensing Raman signal
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽省环境光学监测技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
准确可靠地监测大气中CO2含量变化对于研究全球变暖和气候变化具有十分重要的意义。利用拉曼激光雷达测量大气中的CO2含量分布是一种新颖且容易实现的方法。有效地采集CO2气体的拉曼回波信号并进行数据处理反演出测量结果是整个系统的关键所在。根据拉曼激光雷达的原理和信号处理的理论基础,设计了单通道和双通道两种行之有效的拉曼信号采集方案,并分别对其信号处理方法进行了论证。阐述了单通道采集过程中能量波动所造成的对信号的影响和消除方法,重点解决了采集过程中存在的噪声干扰问题。计算了两种方案在采集1 km处的系统信噪比(SNR),单通道采集时约可达到10,而双通道采集时可提高到20左右。
激光技术 激光雷达 拉曼信号 CO2测量 采集处理