全光纤Fabry-Perot滤波器的高光谱水汽探测拉曼激光雷达技术研究

Atmospheric water vapor is an important meteorological parameters and greenhouse gas,and Raman scattering lidar is an effective technique for detection of atmospheric water vapor. Recently, water vapor lidar in the space-based platform with high spatial and temporal resolution has been one of research frontiers all over the world. Based on the high spectral properties of fiber Fabry-Perot(FP)filters, the ideas and techniques of all-fiber F-P filter high spectral Raman lidar are proposed to obtain atmospheric water vapor detection. Combined with the principles of water vapor Raman lidar water, spectroscopy analysis and optical design technology, the researches are focused on the following key techniques, including the design and optimization of narrow-band F-P filter in the visible wavelength domain, methods of straylight suspression and weak signal extraction, in order to achieve the fine-detection of weak Raman signals under strong background condition,which is to provide the techniques of newly all-fiber high spectral Raman lidar system for water vapor detection. This project is merged of new methods and new technologies in modern fiber-optic sensors and lidar, which will rich and promote the development of spectroscopic technology.The system proposed is characteristic of compact-structure, light-weight, high-reliability, high-spectral efficiency, which will provide a newly high spectral spectroscopic technique for the development of large-scale atmospheric water vapor profiles in the satellite-based or space-based platforms.

大气水汽是重要的气象参数及温室气体，拉曼散射激光雷达是当前水汽探测的有效技术手段，高时空分辨率的小型星载水汽探测激光雷达研究是当前激光雷达研究的前沿课题之一。本项目基于光纤F-P滤波器所具有严格的光学性能和高光谱特性，提出全光纤F-P滤波器的拉曼激光雷达探测大气水汽的思想及技术方法，融合拉曼激光雷达水汽探测机理、现代高光谱分析及光学设计技术，重点研究可见光波长域的超窄带F-P滤光器的设计和优化；杂散光消除及弱信号检测等关键技术，实现强背景条件下的微弱拉曼散射信号的精细分光及信号提取，以期为构建新型的全光纤高光谱拉曼水汽探测激光雷达系统提供新型全光纤分光新技术及方法。本项目研究将最新光纤滤波器技术融合到激光雷达探测，丰富并促进激光雷达的分光技术发展，设计的系统将具有结构紧凑、重量轻、高效与高可靠性等特点，可为大尺度水汽剖面探测的星载拉曼激光雷达的发展及研制提供一种全新高光谱分光技术。

项目针对全光纤分光的高光谱大气水汽探测拉曼激光雷达技术展开研究，提出采用结构简单、高光谱性能、高抗干扰能力、高稳定性的光纤F-P滤波器（Fiber Fabry-Perot Filter,，简称FFP）作为分光主要器件，重点研究了可见光波长域高分辨率光纤F-P 滤波器的全光纤分光原理和方法研究、全光纤分光系统参数优化设计以及杂散光抑制及弱信号检测等关键技术，实现了强背景条件下的微弱拉曼散射信号的精细分光及信号提取，并完成基于光纤F-P滤波器的全光纤分光系统的测试实验与验证。 .该项目的实施通过分析光纤F-P滤波器的滤波原理和结构特性，并综合考虑光纤F-P腔内损耗、反射率、精细度、光束发散角、温度等因素对其光谱性能的影响，完成了高光谱分辨率光纤F-P滤波器的结构参数优化设计和透射性能分析。定制完成的可见波段光纤F-P滤波器中心波长分别位于606和660nm，自由光谱范围>15nm，峰值透过率>0.4，带外抑制率达到103，满足设计要求。考虑大气回波信号的多光谱特性和F-P波长选择的重复性特性，完成了光纤带通滤波器结合光纤F-P滤波器的高光谱分光技术和背景杂散光抑制技术，实现对米-瑞利散射信号的二级高抑制率，获得在强背景条件下的微弱拉曼散射信号的提取。定制完成的可见波段光纤带通滤波器其中心波长分别位于为660和605nm，具有带宽<20nm和带外抑制率>0.1%的性能。并完成了系统探测性能的仿真分析，结果表明基于光纤F-P滤波器分光的全光纤拉曼激光雷达可实现夜晚约4km以下和白天2.8km以下大气水汽有效探测。.为验证基于光纤F-P滤波器为主的全光纤分光系统的可行性，搭建了全光纤分光水汽探测模拟实验光谱系统和验证工作，结果表明，在光纤通道输出分别可获得中心波长为606.35nm,带宽为3.37nm，带外抑制率2.86×10-6以及中心波长为659.8nm，带宽为4.0nm，带外抑制率为1.1×10-6的极强透过峰，可成功实现大气中水汽分子和氮气分子的振动拉曼散射信号的精细提取和对杂散信号的高效抑制，初步验证了基于光纤F-P滤波器的全光纤分光系统设计的可行的，可为全光纤分光激光雷达的研制提供了新的设计思想与实现方案。该研究成果全光纤分光系统具有小型紧凑、性能稳定的结构特点，同时具有高光谱分辨率的性能，将有助于克服目前水汽拉曼激光雷达系统体积大，分光检测系统复杂，可靠性不足等