激光稳频技术在大气探测激光雷达中的应用研究进展

2023-03-21张圣梓常建华

计量学报 2023年2期

黄聪，张圣梓，王将，常建华

(1. 南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京 210044；2. 中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引言

目前，国内外研究者对于激光雷达的研究已有多年的积累。随着激光技术的不断发展，激光雷达在大气科学、物理学、生物学、环境监测与保护、军事等众多领域有着广泛的应用[1～4]。起初，激光雷达被用来测距，接着逐渐被用于制导及跟踪。随着气候环境问题日益突出，大气探测激光雷达问世，其具有时空分辨率高、探测精度高的特点，为测量大气中气溶胶、气体组分、温度和风速等参数提供了可靠的技术支持。在大气探测激光雷达中，多普勒测风激光雷达[5,6]能够根据多普勒频移反演计算出径向风速，其探测方式有直接探测与外差探测两种方式[7,8]，前者检测回波信号与出射信号的相对能量变化，后者检测回波信号与出射信号的差频信号。

由多普勒测风原理可知,激光的频率漂移会对大气风场参数的测量产生影响[9,10]。差分吸收激光雷达(DIAL)向大气中发射两束波长相近的激光束，其中一束对应待测气体的吸收峰，另一束对应吸收谷，利用回波信号的强度差异可以反演出待测气体浓度，而回波信号的强度与激光发射波长密切相关，若对应强吸收峰处的激光波长发生偏移会导致回波信号的强度发生巨大变化，因而反演出的气体浓度会出现较大偏差[11,12]。高光谱分辨率激光雷达(HSRL)根据大气分子和气溶胶的后向散射光谱线的不同，利用滤光器实现这两种信号的分离，进而实现对气溶胶的反演，同时可以利用因大气分子的热运动所造成的多普勒加宽与温度的关系进行温度测量。由高光谱分辨激光雷达探测原理可知，必须保证所使用的滤光器与发射激光的频率保持匹配状态，否则将影响温度的测量精度。由此可见，想要对大气参数进行高精度测量与反演，必须使用激光稳频技术来提高激光雷达光源的长期、短期频率稳定性[13～15]。

2 大气探测激光雷达稳频原理

随着激光技术的不断发展，大气激光雷达的应用研究愈加丰富，若想要更精确地探测大气参数，对系统光源的频率稳定性就有着更严苛的要求。在研究激光稳频的初期，被动稳频技术[16]被提出，该技术在原有系统上采用恒温控流、防震隔声等手段来实现激光稳频，但其稳频精度低，频率稳定度约为10-7，这显然不能满足如今高精度探测的需求。现今，主动稳频技术[17～20]已日趋成熟，利用该技术稳频后的光源抗干扰能力更强，并有着更高的稳频精度，频率稳定度约10-12～10-17。主动稳频技术通常会选择一个稳定的频率参考，当待锁定的激光频率偏离该参考时，通过鉴频手段产生误差信号并将其输入到伺服系统，伺服系统输出控制信号来控制激光器，从而使激光频率调整到频率参考上，完成系统光源的稳频。

目前很多大气探测激光雷达采用种子注入技术[21～23]将连续、小功率、性能优良的光信号注入到脉冲激光器中进行放大，来获得大气探测所需的高质量、窄线宽、高功率的激光脉冲[24]。通过对气体吸收池的精确控温或光学谐振腔腔长的精准控制来锁定脉冲激光器的发射波长，从而提高大气参数测量结果的精度与准确性，因此保证种子激光器稳定的重要性不言而喻。图1为大气探测激光雷达稳频示意图。

图1 大气探测激光雷达稳频示意图Fig.1 Schematic diagram of frequency stabilization of atmospheric detection lidar

3 激光雷达光源稳频技术

目前，应用于大气探测激光雷达中的稳频技术有：频率调制光谱稳频技术(FMS)、相位调制光外差稳频技术(PDH)、基于原子/分子吸收谱线的锁频技术、偏频锁定技术。这些稳频方法通常需要用到光外差检测技术与性能优良的伺服系统，下文将先对光外差检测技术与伺服系统进行介绍，接着对以上几种稳频技术进行介绍。

光学中的光外差检技术与电子学中的相关检测技术相似。将光学系统的回波光信号与本振光信号在光电探测器上进行光学混频，混频信号中的差频或拍频项频率相较于光频慢很多，因而只需保证其频率低于探测器的截止频率，探测器就会输出电流，最终经过解调可以反演出所需探测的相关参数[25～29]。图2为光外差检测原理示意图。

图2 光外差检测原理示意图Fig.2 Schematic diagram of optical heterodyne detection principle

主动稳频技术中最核心的部分就是需要搭建一套闭环的反馈控制回路，通过反馈控制激光的输出频率，其中伺服系统便扮演着反馈回路的角色，其性能的优劣关系到稳频的效果。将前文介绍的外差信号输入到鉴频或鉴相电路中，并将输出信号通过滤波放大电路得到误差信号，接着将误差信号送入比例-积分-微分(PID)控制器中[30，31]，根据PID控制器各模块的不同特点，通过选择单个或多个模块组成不同的控制器，同时细心调节PID参数来得到一个较优的反馈控制信号给温度模块与电流模块(其中温度模块可对激光器工作中产生的慢频漂进行粗调节，电流模块可对快频漂进行细调节)[32]，进而达到控制激光器工作温度与工作电流的功能，实现激光器的稳频。图3为伺服系统示意图。

图3 伺服系统示意图Fig.3 Schematic diagram of servo system

3.1 频率调制光谱稳频技术

频率调制光谱稳频技术(FMS)是一种调制稳频技术[33]。其原理是将出射激光经过电光相位调制器(EOM)进行频率调制，使得激光载波两侧生成等幅反相的弱边带，如果将激光频率稳定在气体吸收池的吸收峰上，则探测器拍频信号为零，若激光频率发生偏移，调制光通过气体池时会被非对称吸收，其幅度与相位便会发生变化，因此探测器输出的拍频信号不为零，将此拍频信号与本振调制信号经过移位器后进行混频，再通过滤波得到鉴频信号即误差信号，将误差信号输入伺服系统后输出控制信号到激光器上，从而控制激光波长，将其锁定在气体吸收池的吸收峰中心，完成激光的锁定。图4为FMS稳频原理示意图。

图4 FMS稳频原理示意图Fig.4 Schematic diagram of FMS frequency stabilization

3.2 相位调制光外差稳频技术

相位调制光外差稳频技术(PDH)[34]与FMS原理相似，区别在于PDH有着更高的调制频率，其通常将激光频率稳定在一个高Q值的F-P超稳腔上，稳频效果优于FMS稳频。该稳频技术原理是将出射激光经过EOM后产生调制光，当激光频率偏离超稳腔的共振频率时，调制光经过F-P超稳腔反射后，其幅度和相位发生变化，导致拍频信号不能相互抵消，因而探测器会输出一个包含调制频率的信号，经过鉴相后通过伺服系统将激光器的频率锁定在F-P腔的共振频率上。得益于F-P谐振腔共振模式的梳状结构，PDH理论上可以不受波长的限制，从而可以对不同波长的激光器进行稳频，避免了FMS因原子/分子能级的限制导致可供稳频波段较短的缺点。图5为PDH稳频示意图。

图5 PDH稳频示意图Fig.5 Schematic diagram of PDH frequency stabilization

3.3 基于原子/分子吸收谱线的锁频技术

基于原子/分子吸收谱线的锁频技术是一种非调制稳频技术[35]。其原理是将输出的激光进行分束，一束直接由光电探测器探测，另外一束经过气体吸收池后由同型的光电探测器探测。将激光频率锁定在气体吸收池透过率曲线陡峭边缘的半高位置附近，若激光的频率发生改变，则其所对应的透过率将会发生巨大变化，利用探测器检测光强的变化，将透过率的相对变化作为误差信号输入到伺服系统进行处理，接着伺服系统输出反馈信号到激光器上，保持透过光强相对不变，完成对激光频率的锁定。图6为基于原子/分子吸收谱线的锁频技术示意图。

图6 基于原子/分子吸收谱线的锁频技术示意图Fig.6 Schematic diagram of frequency locking technology based on atomic/molecular absorption lines

3.4 偏频锁定技术

偏频锁定技术(offset locking)是一种将一束待锁定的激光锁定到另一束稳定的参考激光上的非调制稳频技术[36]。该技术对参考激光的频率稳定性要求较高，参考激光的频率稳定性决定了待稳定激光器的频率稳定性。在选择好一束稳定的参考激光后，需要保证待锁定的激光与参考激光之间有一个频率差，该条件可以由这两束激光在高速光电探测器上拍频得到，将拍频信号输入到混频器中，同时本地振荡器输出一个与拍频信号同频的信号到混频器中，两路信号经过混频、滤波后输入到伺服系统，从而实现偏频锁定。图7偏频锁定示意图。

图7 偏频锁定示意图Fig.7 Schematic diagram of frequency offset locking and frequency stabilization

以上4种稳频技术中，频率调制光谱稳频技术和相位调制光外差稳频技术抗干扰能力强、稳定性高、具有光外差检测与外调制的优点，即控制激光器时，不会因内调制而引入额外的本底噪声，同时误差信号有着较大的斜率，这意味着应用这两种稳频技术的系统有着较高的灵敏度，从而保证了高精度的频率稳定，但这两种稳频技术也存在一些缺点，如调制晶体可能会因双折射效应等其他因素产生残余振幅调制(RAM)[18，37]，这将会影响误差信号的质量，进而干扰到激光器的稳频。

另外，这两种稳频技术的实验系统结构复杂，如特殊的腔体结构设计或气体吸收池的严格控温，这都增加了实验的操作难度与成本[38]。基于原子/分子吸收谱线的锁频技术与偏频锁定技术未采用调制稳频，其中基于原子/分子吸收谱线的锁频技术实验系统简单，易实现且成本较低，该技术的抗干扰能力一般，存在频率跳变易脱锁的问题[39]，同时，该技术对所选择的气体吸收池的透过率曲线有较高的要求，因此需要对气体吸收池的温度进行精确控制；偏频锁定技术能够实现多个激光器的稳频[40]，但其频率稳定度取决于参考激光器，因此该稳频技术需要高稳定的参考激光器，这意味着实验成本可能较高。表1对这4种稳频技术进行了对比。

表1 稳频技术对比Tab.1 Comparison of frequency stabilization techniques

4 稳频技术在大气探测激光雷达中的应用

4.1 频率调制光谱稳频技术

2010年美国宇航局Kenji Numata等[41]采用FMS稳频技术，利用紧凑型电光相位调制器来减少RAM，同时设计了一个CO2多程反射参考气室来增加吸收光程，通过控制电流、温度，成功地将主激光器的激光频率锁定到CO2的吸收线中心 1 572.335 nm 处，最终在72 h以0.8 s的平均时间将其峰间频率漂移抑制在0.3 MHz以内。从激光器使用偏频锁定技术将激光频率偏频锁定到主激光器上，其有着跟主激光器几乎相同的MHz精度的绝对频率稳定度，该单位研制的基于光纤的脉冲激光雷达系统可用于测量全球的CO2混合比，精度可达1×10-6。图8为分布式反馈激光器(DFB)稳频装置示意图。

图8 DFB稳频装置示意图[41]Fig.8 Schematic diagram of DFB frequency stabilizing device

2014年中国科学院上海技术物理研究所刘豪等基于FMS稳频技术研制的差分吸收激光雷达系统，选择CO2气体吸收池作为吸收物质，将吸收峰波长稳定在1 572.018 nm处，测得吸收峰波长在4 h的频率稳定性达到0.05 pm以内，在450 m的积分路径和1 s的积分时间取得了优于3.39×10-6的CO2探测精度[42]；2020年，同单位洪光烈等在 1 550 nm 波段使用声光调制器(AOM)替代EOM解决了直流偏置电压不稳定的问题，通过FMS技术将激光波长锁定在1 572.335 nm处，测得On-line激光器波长在12 h内均方根误差小于0.05 pm，将稳频后的路径积分差分吸收激光雷达(IPDA)对上海市虹口区的CO2进行探测，经过对比发现，IPDA所探测的数据与其他探测器的测量数据吻合[43]，短时探测精度可达4×10-6。2017年杜娟等为了达到1×10-6高精度探测CO2的要求，基于FMS技术，选用长度为10 m，气压为70 mbar的气体吸收池，将种子激光精确锁定在CO2的R18吸收线上，在8 h以0.1 s的平均时间将均方根频率漂移控制在50 KHz以内，得到了较高的短期频率稳定性，但其长期稳定性仍然不够理想。通过种子注入光参量振荡器(OPO)搭建了一套可用于CO2浓度测量的1 572 nm双脉冲积分路径差分吸收激光雷达，其测量的二氧化碳柱平均干空气混合比(XCO2)的标准偏差为2.42×10-6，测量精度达到0.56%；2020年，重点分析了吸收池、EOM对稳频性能的影响，根据仿真与实验确定了长度为12 m、气压为40 mbar的气体吸收池，并将调制频率设置为120 MHz，完成了对稳频系统的改良，经实验测得优化过后的激光频率抖动峰峰值在150 kHz，在1 000 s以内频率稳定性优于1×10-10，其优秀的长期稳定性将来可应用于星载二氧化碳激光雷达[44～46]。

4.2 相位调制光外差稳频技术

2008年周军等在国家“863”工程项目支持下，使用PDH稳频技术将激光频率稳定在F-P腔的共振频率上，在1 h的运行时间里，绝对频率漂移小于0.2 MHz，其频率稳定性很好地满足了多普勒测风激光雷达的要求[47]。2012年卞正兰利用PDH稳频技术搭建了一套全自动的稳频系统，该系统在2.5 h内激光频率的相对偏移不超过±17 kHz，其优于 200 kHz 的绝对频率稳定度可应用于多普勒测风激光雷达[19]。2019年北京理工大学光电学院高春清教授课题组将1 470 nm泵浦光通过自制的非平面环形振荡腔(NPRO)产生连续的1 645 nm种子激光，利用种子注入技术、PDH稳频技术将种子激光经过声光晶体(AOM)后的一级衍射光注入从激光振荡腔中，通过调节激光振荡器中平面镜M3上的压电陶瓷来控制腔长，使腔长能与种子激光频率匹配与锁定，最终输出的1 645 nm脉冲激光的频率稳定度为525 kHz，这种高稳定的单频激光器适宜作为相干激光雷达系统的高质量光源[48]。图9为该实验的PDH稳频装置示意图。

图9 基于PDH稳频技术调QEr:YAG激光器的装置示意图[48]Fig.9 Experimental setup of a frequency stabilized,Q-switched Er:YAG laser based on the PDH method

4.3 基于原子/分子吸收谱线的锁频技术

2016年中国科学院国家空间科学中心郭文杰等通过分析压电陶瓷(PZT)调频与温度调频之间的关系，将PZT调频电压作为温度调频的输入来修正激光频率的漂移量，并将激光频率锁定在碘分子1111吸收线的右侧边缘上得到了稳定的激光输出，锁频精度约为350 kHz，稳频后的激光可为后续激光雷达系统长期稳定探测大气风场等参数提供保障[49]。2019年西安理工大学闫庆等人基于分子吸收谱线技术给HSRL搭建了一套脉冲激光锁频系统，该系统选择328 K时碘分子1109吸收线左侧线性区作为鉴频曲线，通过调整PID控制电路电压对种子激光器PZT、晶体温度进行调节，实现了激光频率的微调，输出的激光频率漂移稳定在2.2 MHz以内，得到的实测风速测量误差在0.6 m/s以内，温度测量误差在0.5 K以内，图10为脉冲激光动态锁频系统图[50]。

图10 脉冲激光动态锁频系统图[50]Fig.10 Diagram of pulse laser dynamic frequency locking system

2020年安徽光机所王邦新等使用二级稳频的方法对室温、F-P标准具的温度进行精确控制，缩小了温漂[51]。2021年同单位李路专门为种子激光器设计了一个温控箱用来抑制激光频率的长期漂移，接着使用基于分子吸收谱线的锁频技术进行稳频，同时利用PID控制技术对长度为25 cm，温度约70 ℃的碘吸收池进行精确控温，从而优化了短期漂移，在 4 h 内使得种子激光频率锁定在±8 MHz范围内，实现了对径向风速廓线的探测，探测高度可达17 km，最大方差为4.8 m/s，而未锁定前的最大方差为 6.9 m/s[52]。不难发现，经过稳频的多普勒测风激光雷达测量结果更准确。

4.4 偏频锁定技术

2006年纳沙泰尔天文台Matthey等研制了935 nm波长范围内可用于水蒸气探测的四波长光学参考系统[53]。该系统利用波长调制光谱技术(WMS)将3个On-line激光波长锁定在不同强度的水蒸气吸收线上，利用偏频锁定技术对Off-line激光器波长进行偏频锁定，在测量仪器的探测极限下，锁定在最强吸收线的激光的频率稳定性在15 MHz以内的时间超过了1天，该激光满足了DIAL激光发射器的性能要求，若将其作为振荡器的种子光源时，能够有效提升差分吸收激光雷达测量结果的精确度。2011年日本国家信息和通信技术研究所(NICT)Shoken IshII等利用FMS稳频技术将MO-I激光器的波长稳定在CO2的R30吸收线上，并成功将激光的频率稳定性锁定在160 kHz以内，持续时间在13小时以上；将MO-I与MO-II激光器的激光在高速光电探测器上进行混频，同时使用锁相环(PLL)控制所需要的激光频率偏移，MO-II激光器的频率被锁定在190 kHz以内；MO-III激光器的波长通过调节谐振腔温度与压电元件来控制[54]。在2010年和2011年利用稳频后的2 μm相干差分吸收激光雷达测量了海拔0.4～1.0 km的XCO2，经过仔细验证发现，2010年测得的XCO2值与机载仪器的测量值之差小于4.1×10-6，精度优于1%，图11为偏频锁定装置示意图。

图11 偏频锁定装置示意图[54]Fig.11 Schematic diagram of frequency offset locking device

2020年日本三菱电机信息技术研发中心Masaharu Imaki等将FMS稳频技术与偏频锁定技术结合实现了波长的锁定[55]。首先该单位利用FMS稳频技术将其中一个激光器的波长锁定到氰化氢(HCN)的R18吸收线上，使得该激光器的波长稳定性达到0.07 pm以内;接着将稳频激光与待锁定激光进行拍频，利用滤波器的边缘透过率与偏频锁定技术将待锁定激光调节到水汽的吸收线上，使其波长的频率稳定性达到0.102 pm。该单位使用稳频后的1.53 μm相干差分吸收激光雷达对水汽密度与风速进行了精确探测，测得的水汽密度光谱的随机误差为0.56 g/m3；测量的水汽/风的垂直剖面能够以100 m的分辨率显示，图12为其波长锁定原理图。