大氣中氮分子的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線強(qiáng)度包絡(luò)

大氣中氮分子的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射譜線強(qiáng)度包絡(luò)

1轉(zhuǎn)動(dòng)拉伸激光雷達(dá)氮分子（或氧化化合物）的純旋轉(zhuǎn)-散射光譜峰的線性線，稱為旋轉(zhuǎn)-散射光譜的力包絡(luò)，波爾茲曼分布在分布的各個(gè)領(lǐng)域，可以表示為旋轉(zhuǎn)量子數(shù)j和溫度t的函數(shù)。A為常數(shù),T為溫度,I0為波數(shù)為v0的入射光強(qiáng)度,B為分子轉(zhuǎn)動(dòng)常數(shù),D為離心畸變常數(shù),N0為基態(tài)分子數(shù)密度,vJ是第J級(jí)譜線的波數(shù),gI(J)是核自旋統(tǒng)計(jì)權(quán)重,K為玻耳茲曼常數(shù),h為普朗克常數(shù),C為光速,為轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷態(tài)的平方矩陣元素,J為轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù),躍遷選擇定則為△J=±2,其中對(duì)Stokes線對(duì)Anti-Stokes線由(1)至(4)式和表1,計(jì)算出不同溫度下N2的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜線的相對(duì)強(qiáng)度,計(jì)算中設(shè)入射光波長為532.075nm。從圖1可以看出N2的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜強(qiáng)度分布隨溫度T的變化,靠近發(fā)射譜線(較低量子數(shù)J)的拉曼線強(qiáng)度隨溫度升高而降低,遠(yuǎn)離發(fā)射譜線(較高量子數(shù)J)的拉曼線的強(qiáng)度隨溫度升高而升高。由N2分子可知:1)對(duì)Anti-Stokes線,當(dāng)530.1nm<λ<531.91nm時(shí),PPRS強(qiáng)度隨溫度升高而降低;當(dāng)526.4nm<λ<530.1nm時(shí),PPRS強(qiáng)度隨溫度升高而升高;2)對(duì)Stokes線,當(dāng)532.3nm<λ<534.6nm時(shí),PRRS強(qiáng)度隨溫度升高而降低;當(dāng)534.6nm<λ<538.1nm時(shí),強(qiáng)度隨溫度升高而升高。轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射激光雷達(dá)的探測方法是:大氣中N2和02高低量子數(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼散射回波信號(hào)比滿足指數(shù)關(guān)系,由此關(guān)系式可以反演出溫度。由(1)式可得由(5)式得出溫度由雷達(dá)測出任意高度上的兩個(gè)信號(hào)的比值,由探空儀測出任意高度上的溫度,此比率與溫度滿足指數(shù)關(guān)系式(5),通過此式,可以擬合出參數(shù)α和β,這樣(6)式就確定了。用雷達(dá)測出兩個(gè)信號(hào)的比值,帶入(6)式,由此可確定大氣溫度的垂直廓線(nJH、nJL是對(duì)應(yīng)高低量子數(shù)的后向散射的光子數(shù))。純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)技術(shù)上最主要的難點(diǎn)是在很強(qiáng)的Rayleigh-Mie散射光的附近兩旁,分布著許多強(qiáng)度很弱的拉曼散射光。要從光譜如此靠近的強(qiáng)光中檢測出很弱的拉曼譜線,在技術(shù)上較為困難。從圖2我們可以看出Rayleigh-Mie譜線與拉曼譜線相差好幾個(gè)量級(jí)。從光譜如此靠近的很強(qiáng)的Rayleigh-Mie散射光中來檢測出很弱的拉曼譜線,目前的技術(shù)主要包括雙光柵光譜儀、雙窄帶干涉濾光片、雙光柵多色儀、金屬蒸汽濾波片加干涉濾光片和基于CCD的分光光譜儀。然而雙光柵單色儀結(jié)構(gòu)能夠提供優(yōu)于10-7的抑止比,能夠很好地抑止Rayleigh-Mie散射,得到純度很高的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜;雙光柵單色儀結(jié)構(gòu)分光是斯托克斯信號(hào)與對(duì)稱的反斯托克斯信號(hào)之和,大大提高了信號(hào)的信噪比;雙光柵單色儀結(jié)構(gòu)具有長期的穩(wěn)定性。由于雙光柵單色儀結(jié)構(gòu)具有以上的優(yōu)點(diǎn),所以在純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)分光裝置通常采用雙光柵單色儀結(jié)構(gòu)。圖3是雙光柵單色儀結(jié)構(gòu)圖,該單色儀由兩塊光柵組成,均工作于輸入輸出共焦面形式,目的是要分別提取N2和02分子轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼的Stokes和Anti-Stokes譜中的高階譜和低階譜。激光雷達(dá)的回波光由輸入光纖從第一光柵系統(tǒng)的焦平面送入,N2分子的高階、低階Stokes和Anti-Stokes四組譜線(λ1-λ4)分別被其焦平面相應(yīng)位置處的四根光纖所接收。在第二光柵系統(tǒng)的焦平面上,這四組光譜分別由嚴(yán)格選定的位置輸入,使經(jīng)第二光柵衍射后,兩組低階轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜(λ1和λ2)會(huì)聚于輸出光纖1,而兩組高階轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜(λ3和λ4)會(huì)聚于輸出光纖2,從而達(dá)到高帶外抑制和高光譜分辨的目的。2入射光柵仿真模擬計(jì)算的目的是證明此雙光柵多色儀能分別提取N2分子轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼Stokes和Anti-Stokes譜中的高階譜和低階譜。光柵衍射后進(jìn)入透鏡的焦板上,根據(jù)它的波長分散開,在焦板相應(yīng)位置處對(duì)應(yīng)量子數(shù)為12、6、-6和-12的譜線的四根傳輸光纖所接收,通過轉(zhuǎn)動(dòng)譜線的光斑占輸出光纖的橫截面積比,來計(jì)算濾波函數(shù),對(duì)應(yīng)J=6(-6)與J=12(-12)的譜線能否分開,不受干擾。在此濾波函數(shù)下,兩部分轉(zhuǎn)動(dòng)譜的強(qiáng)度比與溫度的關(guān)系是否滿足指數(shù)函數(shù)圖。為了使更多的光耦合進(jìn)光纖,必須考慮收光光纖的數(shù)值孔徑問題,這要求衍射光應(yīng)該盡量接近透鏡的主光軸,這樣才能增大光纖的耦合效率。同時(shí)選擇多模光纖,輸入光纖直徑是0.6mm,輸出光纖直徑是1.3mm。為了減少損耗,我們采用高純度熔石英光纖,選擇BK7的透鏡,直徑是60mm,焦距長200mm。入射光波長λ0=5.321×10-7m,衍射級(jí)k=5,光柵常數(shù),閃耀角deg,透鏡焦距FL=200mm。任意一條譜線在焦平面上的光斑與焦點(diǎn)的垂直距離光纖半徑ρo1=0.3mm,ρo2=0.65mm,ρout-ρo1.令,當(dāng)焦平面上的各級(jí)輸出光斑與輸出光纖橫截面相交時(shí),光斑占輸出光纖橫截面的面積比為vc是Stokes與Anti-Stokes第6級(jí)與第12級(jí)光斑的中心到焦點(diǎn)的垂直距離,νt是Stokes第25級(jí)譜線到Anti-Stokes第25級(jí)譜線中的任一條譜線到焦點(diǎn)的垂直距離。令△c6S(νt,νc)=丨c(νt)-c(νc)丨,經(jīng)過第一個(gè)光柵衍射后的透過率函數(shù)經(jīng)過第一個(gè)光柵衍射后Stokes和Anti-Stokes第6級(jí)與第12級(jí)譜線透過率函數(shù)之和為同理,經(jīng)過第二個(gè)光柵衍射后Stokes和Anti-Stokes第6級(jí)與第12級(jí)譜線透過率函數(shù)之和為經(jīng)過雙光柵多色儀后,Stokes和Anti-Stokes第6級(jí)與第12級(jí)譜線的透過率函數(shù)分別為在入射波長λ0=5.321×10-7m,光纖和透鏡的參數(shù)不變的情況下,改變光柵的刻槽數(shù)來得到相應(yīng)的濾波函數(shù)圖,找出合適的光柵參數(shù)。在可見光范圍內(nèi)光柵常數(shù)的范圍是每毫米600～1200線對(duì)。1級(jí)光譜閃耀角當(dāng)一級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為18.617°,濾波函數(shù)交叉,達(dá)不到濾波的目的;二級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為39.679°,濾波函數(shù)交叉,達(dá)不到濾波的目的;三級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為73.283°,直能進(jìn)入一條光線,信號(hào)很弱,難探測;四級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為復(fù)數(shù);以后各級(jí)光譜閃耀角均為復(fù)數(shù)。2拉拔雙光柵單色儀的濾波函數(shù)當(dāng)一級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為9.185°,濾波函數(shù)交叉,達(dá)不到濾波的目的;當(dāng)二級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為18.617°,濾波函數(shù)交叉,達(dá)不到濾波的目的;三級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為28.611°,濾波函數(shù)交叉,達(dá)不到濾波的目的;四級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為39.679°,濾波函數(shù)交叉,達(dá)不到濾波的目的;五級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為52.95°,進(jìn)入5條線,濾波函數(shù)剛好分開,見圖4;六級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為73.283°,只能進(jìn)入一條光線,信號(hào)很弱,難探測;七級(jí)光譜閃耀時(shí),閃耀角為復(fù)數(shù);以后各級(jí)光譜閃耀角均為復(fù)數(shù)。因此,我們采用表面鍍有鋁膜,每毫米600條刻槽,閃耀角為54°,通光孔徑是60×120mm的光柵。由公式(7)～(10)計(jì)算出N2和O2的濾波函數(shù)。由圖4的濾波函數(shù)圖,我們可以看出第6級(jí)譜線與第12級(jí)譜線剛好分開,互相不受干擾。同時(shí)每一個(gè)濾波函數(shù)里面都包含著幾條譜線,增強(qiáng)了信號(hào),容易探測。在純轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜的斯托克斯支,雙光柵單色儀的帶寬濾波參量中心波長為533.8nm和535.1nm,相應(yīng)的帶寬分別為0.48nm和0.46nm。中心濾波波長與激發(fā)線的波長有適當(dāng)?shù)拈g距,這將能有效地探測信號(hào)的強(qiáng)度,并能對(duì)不想要的Reyleigh-Mie散射背景信號(hào)適當(dāng)?shù)匾种啤?后向散射光電子數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍圖5給出了轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼雷達(dá)在夜晚發(fā)射48000發(fā)激光脈沖接收到的大氣后向散射光電子數(shù)的垂直分布廓線。我們采用同軸系統(tǒng),即在轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼雷達(dá)的整個(gè)探測光路上,發(fā)射的激光光束都在轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼雷達(dá)的接收視場里,其大氣后向散射光全部被轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼雷達(dá)接收,則從地面到11km高度范圍里,轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼雷達(dá)接收的大氣后向散射光電子數(shù)的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)。由轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼譜知,第6級(jí)譜線的強(qiáng)度比第12級(jí)譜線的強(qiáng)度大,因此模擬計(jì)算得到的第6級(jí)譜線比第12級(jí)譜線的回波光電子數(shù)多。為了檢驗(yàn)上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的正確性,我們與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,模擬結(jié)果與現(xiàn)有數(shù)據(jù)基本上是重合的,只是兩條線之間的距離稍微寬一點(diǎn),這可能是因?yàn)樵谀M的過程中Tr(λj,z)、X(λ)和q(λ)中的波長都用532nm來代替的緣故(第6級(jí)與第12級(jí)斯托克斯轉(zhuǎn)動(dòng)譜線的波長分別為533.8nm和535.1nm,相差1.3nm)。比較結(jié)果的一致性說明計(jì)算方法是正確的,系統(tǒng)設(shè)計(jì)是可行的。計(jì)算的強(qiáng)度比與溫度的關(guān)系如圖6,溫度每變化100K,比率變化0.94,靈敏度非常小。由圖6模擬出參數(shù)α、β,代入(12)式,求出溫度如圖7所示。模擬的溫度與標(biāo)準(zhǔn)大氣模式相差約0.3K。模擬結(jié)果證明了用于大氣溫度測量的轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼雷達(dá)技術(shù)的可行性。數(shù)據(jù)的處理方法非常簡單、直接,因此,這種測溫的雷達(dá)技術(shù)是非常吸引人的。4后向散射法提取大氣溫度的方法以及存在的問題本文模擬計(jì)算了不同溫度下的氮?dú)獾霓D(zhuǎn)