气体瑞利布里渊散射光谱数据处理方法与实现
发布时间：2021-08-24 08:30
为了研究气体瑞利布里渊散射光谱,拓展瑞利布里渊激光雷达在大气环境参数遥感上的应用,分析了大气瑞利散射和布里渊散射光谱重叠在一起的特性,在超净间实验室搭建了一套气体瑞利布里渊散射光谱实验系统,使用高功率、窄线宽、频率稳定的激光发射系统,接收端结合窄带信号检测技术获取到了稳定的侧向散射光谱,通过对实验光谱数据进行噪声去除、分峰拟合、时频转换和叠加平均的数据处理过程,最终获取到了高精度的气体瑞利布里渊散射谱线。
【文章来源】：激光杂志. 2020,41(05)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
不同介质中的瑞利布里渊散射谱示意图
在超净间实验室搭建了一套高精度气体瑞利布里渊散射光谱实验系统，系统整体框图如图2所示。考虑到实验装置的目的是获取高信噪比、高分辨率的散射光谱，对实时性的要求不是太高，因此，实验装置从技术方案上采用连续激光作为光源，同时在光谱采集的时候采用了分辨率更高的扫描干涉仪的方案。整体系统分为激光发射系统、光路部分、散射气室、散射光探测及数据处理分析等几个部分。连续激光器输出功率为5 W、波长为532 nm的窄线宽单频绿光。在激光出射的光路上连续放置两个分光镜M1和M4，经过分光镜M1之后90%的激光作为主散射光路，透射过的10%的激光作为参考光路。参考光路经分光镜M4后90%光强作为参考光路主信号，剩余10%光强经反射镜M9后入射进光谱仪的探头，以便随时监测激光波长的漂移。
当参考光或者主光路90°散射光从侧方窗口出射时，需要对该出射光进行准直。与L1和L2’对应，为使光路准直，在距离窗口150 mm的位置放置聚焦透镜L2(焦距150 mm)。透镜L3(焦距50 mm)和针孔S1(孔径10μm)组成的空间滤波器对散射光进行空间滤波，同时在空间滤波器之后放置与透镜L3耦合的聚焦透镜L4(焦距50 mm)。准直后的光经反射镜M6、M7和M8后将进入法布里-珀罗(F-P)干涉仪[12]以实现对整个散射光谱的扫描获取。进入干涉仪之前的光首先经过一个带通滤波器(532±1 nm)滤出拉曼散射和其他噪声。为了使入射进干涉仪的光能够实现最大效率的耦合，需要在光路上放置与干涉仪配套的耦合透镜LFP(焦距100 mm/150 mm)。干涉仪的腔长扫描通过改变压电陶瓷(PZT)的供电电压来实现。干涉仪之后放置一个光子计数的光电倍增管(PMT)接收每一个谱段的光子数[13]，随后PMT将接收的光子数按照对应比例转换为一个个的脉冲信号输出。实验系统采集到的原始数据如图3所示，横轴表示时间，纵轴表示每个时间段内接收的光子个数。其中，横轴每个时间都对应PZT的一个扫描电压，该扫描电压与干涉仪腔长相关，对应某个光谱谱段。扫描电压和干涉仪的腔长随着时间的增加而发生改变，通过扫描干涉仪的光谱频段也进行周期性的变化，其变化周期为一个自由光谱范围(FSR)。因此，需要对该原始数据进行相应处理，从连续的时间周期信号转换为光谱信号。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电倍增管特性及应用研究[J]. 陈超. 数字通信世界. 2018(07)
[2]基于形状相似性比较法消除拉曼光谱的复杂背景噪声[J]. 夏良平,李华栋,尹韶云,吴云峰,史浩飞,杜春雷. 光学学报. 2013(05)
[3]采用边缘探测技术的海表温度测量精度及误差分析[J]. 梁琨,马泳,程飞,王宏远,林宏. 光电工程. 2008(08)
[4]用碘分子共振吸收滤波器精确测量水中的布里渊散射频移[J]. 任晓斌,弓文平,戴瑞,徐建锋,刘大禾. 光学学报. 2004(10)
[5]用布里渊散射测量水的体粘滞系数[J]. 徐建峰,李荣胜,周静,刘大禾. 光学学报. 2001(09)
博士论文
[1]LHAASO实验中大动态范围光电倍增管性能研究[D]. 赵晓坤.中国科学技术大学 2017
本文编号：3359650
【文章来源】：激光杂志. 2020,41(05)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
不同介质中的瑞利布里渊散射谱示意图
在超净间实验室搭建了一套高精度气体瑞利布里渊散射光谱实验系统，系统整体框图如图2所示。考虑到实验装置的目的是获取高信噪比、高分辨率的散射光谱，对实时性的要求不是太高，因此，实验装置从技术方案上采用连续激光作为光源，同时在光谱采集的时候采用了分辨率更高的扫描干涉仪的方案。整体系统分为激光发射系统、光路部分、散射气室、散射光探测及数据处理分析等几个部分。连续激光器输出功率为5 W、波长为532 nm的窄线宽单频绿光。在激光出射的光路上连续放置两个分光镜M1和M4，经过分光镜M1之后90%的激光作为主散射光路，透射过的10%的激光作为参考光路。参考光路经分光镜M4后90%光强作为参考光路主信号，剩余10%光强经反射镜M9后入射进光谱仪的探头，以便随时监测激光波长的漂移。
当参考光或者主光路90°散射光从侧方窗口出射时，需要对该出射光进行准直。与L1和L2’对应，为使光路准直，在距离窗口150 mm的位置放置聚焦透镜L2(焦距150 mm)。透镜L3(焦距50 mm)和针孔S1(孔径10μm)组成的空间滤波器对散射光进行空间滤波，同时在空间滤波器之后放置与透镜L3耦合的聚焦透镜L4(焦距50 mm)。准直后的光经反射镜M6、M7和M8后将进入法布里-珀罗(F-P)干涉仪[12]以实现对整个散射光谱的扫描获取。进入干涉仪之前的光首先经过一个带通滤波器(532±1 nm)滤出拉曼散射和其他噪声。为了使入射进干涉仪的光能够实现最大效率的耦合，需要在光路上放置与干涉仪配套的耦合透镜LFP(焦距100 mm/150 mm)。干涉仪的腔长扫描通过改变压电陶瓷(PZT)的供电电压来实现。干涉仪之后放置一个光子计数的光电倍增管(PMT)接收每一个谱段的光子数[13]，随后PMT将接收的光子数按照对应比例转换为一个个的脉冲信号输出。实验系统采集到的原始数据如图3所示，横轴表示时间，纵轴表示每个时间段内接收的光子个数。其中，横轴每个时间都对应PZT的一个扫描电压，该扫描电压与干涉仪腔长相关，对应某个光谱谱段。扫描电压和干涉仪的腔长随着时间的增加而发生改变，通过扫描干涉仪的光谱频段也进行周期性的变化，其变化周期为一个自由光谱范围(FSR)。因此，需要对该原始数据进行相应处理，从连续的时间周期信号转换为光谱信号。
【参考文献】：
期刊论文
[1]光电倍增管特性及应用研究[J]. 陈超. 数字通信世界. 2018(07)
[2]基于形状相似性比较法消除拉曼光谱的复杂背景噪声[J]. 夏良平,李华栋,尹韶云,吴云峰,史浩飞,杜春雷. 光学学报. 2013(05)
[3]采用边缘探测技术的海表温度测量精度及误差分析[J]. 梁琨,马泳,程飞,王宏远,林宏. 光电工程. 2008(08)
[4]用碘分子共振吸收滤波器精确测量水中的布里渊散射频移[J]. 任晓斌,弓文平,戴瑞,徐建锋,刘大禾. 光学学报. 2004(10)
[5]用布里渊散射测量水的体粘滞系数[J]. 徐建峰,李荣胜,周静,刘大禾. 光学学报. 2001(09)
博士论文
[1]LHAASO实验中大动态范围光电倍增管性能研究[D]. 赵晓坤.中国科学技术大学 2017
本文编号：3359650
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