大气中氮分子的转动拉曼散射谱线强度包络

大气中氮分子的转动拉曼散射谱线强度包络

1转动拉伸激光雷达氮分子（或氧化化合物）的纯旋转-散射光谱峰的线性线，称为旋转-散射光谱的力包络，波尔兹曼分布在分布的各个领域，可以表示为旋转量子数j和温度t的函数。A为常数,T为温度,I0为波数为v0的入射光强度,B为分子转动常数,D为离心畸变常数,N0为基态分子数密度,vJ是第J级谱线的波数,gI(J)是核自旋统计权重,K为玻耳兹曼常数,h为普朗克常数,C为光速,为转动跃迁态的平方矩阵元素,J为转动量子数,跃迁选择定则为△J=±2,其中对Stokes线对Anti-Stokes线由(1)至(4)式和表1,计算出不同温度下N2的转动拉曼谱线的相对强度,计算中设入射光波长为532.075nm。从图1可以看出N2的转动拉曼谱强度分布随温度T的变化,靠近发射谱线(较低量子数J)的拉曼线强度随温度升高而降低,远离发射谱线(较高量子数J)的拉曼线的强度随温度升高而升高。由N2分子可知:1)对Anti-Stokes线,当530.1nm<λ<531.91nm时,PPRS强度随温度升高而降低;当526.4nm<λ<530.1nm时,PPRS强度随温度升高而升高;2)对Stokes线,当532.3nm<λ<534.6nm时,PRRS强度随温度升高而降低;当534.6nm<λ<538.1nm时,强度随温度升高而升高。转动拉曼散射激光雷达的探测方法是:大气中N2和02高低量子数的转动拉曼散射回波信号比满足指数关系,由此关系式可以反演出温度。由(1)式可得由(5)式得出温度由雷达测出任意高度上的两个信号的比值,由探空仪测出任意高度上的温度,此比率与温度满足指数关系式(5),通过此式,可以拟合出参数α和β,这样(6)式就确定了。用雷达测出两个信号的比值,带入(6)式,由此可确定大气温度的垂直廓线(nJH、nJL是对应高低量子数的后向散射的光子数)。纯转动拉曼激光雷达技术上最主要的难点是在很强的Rayleigh-Mie散射光的附近两旁,分布着许多强度很弱的拉曼散射光。要从光谱如此靠近的强光中检测出很弱的拉曼谱线,在技术上较为困难。从图2我们可以看出Rayleigh-Mie谱线与拉曼谱线相差好几个量级。从光谱如此靠近的很强的Rayleigh-Mie散射光中来检测出很弱的拉曼谱线,目前的技术主要包括双光栅光谱仪、双窄带干涉滤光片、双光栅多色仪、金属蒸汽滤波片加干涉滤光片和基于CCD的分光光谱仪。然而双光栅单色仪结构能够提供优于10-7的抑止比,能够很好地抑止Rayleigh-Mie散射,得到纯度很高的转动拉曼谱;双光栅单色仪结构分光是斯托克斯信号与对称的反斯托克斯信号之和,大大提高了信号的信噪比;双光栅单色仪结构具有长期的稳定性。由于双光栅单色仪结构具有以上的优点,所以在纯转动拉曼激光雷达分光装置通常采用双光栅单色仪结构。图3是双光栅单色仪结构图,该单色仪由两块光栅组成,均工作于输入输出共焦面形式,目的是要分别提取N2和02分子转动拉曼的Stokes和Anti-Stokes谱中的高阶谱和低阶谱。激光雷达的回波光由输入光纤从第一光栅系统的焦平面送入,N2分子的高阶、低阶Stokes和Anti-Stokes四组谱线(λ1-λ4)分别被其焦平面相应位置处的四根光纤所接收。在第二光栅系统的焦平面上,这四组光谱分别由严格选定的位置输入,使经第二光栅衍射后,两组低阶转动拉曼谱(λ1和λ2)会聚于输出光纤1,而两组高阶转动拉曼谱(λ3和λ4)会聚于输出光纤2,从而达到高带外抑制和高光谱分辨的目的。2入射光栅仿真模拟计算的目的是证明此双光栅多色仪能分别提取N2分子转动拉曼Stokes和Anti-Stokes谱中的高阶谱和低阶谱。光栅衍射后进入透镜的焦板上,根据它的波长分散开,在焦板相应位置处对应量子数为12、6、-6和-12的谱线的四根传输光纤所接收,通过转动谱线的光斑占输出光纤的横截面积比,来计算滤波函数,对应J=6(-6)与J=12(-12)的谱线能否分开,不受干扰。在此滤波函数下,两部分转动谱的强度比与温度的关系是否满足指数函数图。为了使更多的光耦合进光纤,必须考虑收光光纤的数值孔径问题,这要求衍射光应该尽量接近透镜的主光轴,这样才能增大光纤的耦合效率。同时选择多模光纤,输入光纤直径是0.6mm,输出光纤直径是1.3mm。为了减少损耗,我们采用高纯度熔石英光纤,选择BK7的透镜,直径是60mm,焦距长200mm。入射光波长λ0=5.321×10-7m,衍射级k=5,光栅常数,闪耀角deg,透镜焦距FL=200mm。任意一条谱线在焦平面上的光斑与焦点的垂直距离光纤半径ρo1=0.3mm,ρo2=0.65mm,ρout-ρo1.令,当焦平面上的各级输出光斑与输出光纤横截面相交时,光斑占输出光纤横截面的面积比为vc是Stokes与Anti-Stokes第6级与第12级光斑的中心到焦点的垂直距离,νt是Stokes第25级谱线到Anti-Stokes第25级谱线中的任一条谱线到焦点的垂直距离。令△c6S(νt,νc)=丨c(νt)-c(νc)丨,经过第一个光栅衍射后的透过率函数经过第一个光栅衍射后Stokes和Anti-Stokes第6级与第12级谱线透过率函数之和为同理,经过第二个光栅衍射后Stokes和Anti-Stokes第6级与第12级谱线透过率函数之和为经过双光栅多色仪后,Stokes和Anti-Stokes第6级与第12级谱线的透过率函数分别为在入射波长λ0=5.321×10-7m,光纤和透镜的参数不变的情况下,改变光栅的刻槽数来得到相应的滤波函数图,找出合适的光栅参数。在可见光范围内光栅常数的范围是每毫米600～1200线对。1级光谱闪耀角当一级光谱闪耀时,闪耀角为18.617°,滤波函数交叉,达不到滤波的目的;二级光谱闪耀时,闪耀角为39.679°,滤波函数交叉,达不到滤波的目的;三级光谱闪耀时,闪耀角为73.283°,直能进入一条光线,信号很弱,难探测;四级光谱闪耀时,闪耀角为复数;以后各级光谱闪耀角均为复数。2拉拔双光栅单色仪的滤波函数当一级光谱闪耀时,闪耀角为9.185°,滤波函数交叉,达不到滤波的目的;当二级光谱闪耀时,闪耀角为18.617°,滤波函数交叉,达不到滤波的目的;三级光谱闪耀时,闪耀角为28.611°,滤波函数交叉,达不到滤波的目的;四级光谱闪耀时,闪耀角为39.679°,滤波函数交叉,达不到滤波的目的;五级光谱闪耀时,闪耀角为52.95°,进入5条线,滤波函数刚好分开,见图4;六级光谱闪耀时,闪耀角为73.283°,只能进入一条光线,信号很弱,难探测;七级光谱闪耀时,闪耀角为复数;以后各级光谱闪耀角均为复数。因此,我们采用表面镀有铝膜,每毫米600条刻槽,闪耀角为54°,通光孔径是60×120mm的光栅。由公式(7)～(10)计算出N2和O2的滤波函数。由图4的滤波函数图,我们可以看出第6级谱线与第12级谱线刚好分开,互相不受干扰。同时每一个滤波函数里面都包含着几条谱线,增强了信号,容易探测。在纯转动拉曼谱的斯托克斯支,双光栅单色仪的带宽滤波参量中心波长为533.8nm和535.1nm,相应的带宽分别为0.48nm和0.46nm。中心滤波波长与激发线的波长有适当的间距,这将能有效地探测信号的强度,并能对不想要的Reyleigh-Mie散射背景信号适当地抑制。3后向散射光电子数的动态范围图5给出了转动拉曼雷达在夜晚发射48000发激光脉冲接收到的大气后向散射光电子数的垂直分布廓线。我们采用同轴系统,即在转动拉曼雷达的整个探测光路上,发射的激光光束都在转动拉曼雷达的接收视场里,其大气后向散射光全部被转动拉曼雷达接收,则从地面到11km高度范围里,转动拉曼雷达接收的大气后向散射光电子数的动态范围高达5个数量级。由转动拉曼谱知,第6级谱线的强度比第12级谱线的强度大,因此模拟计算得到的第6级谱线比第12级谱线的回波光电子数多。为了检验上述数值模拟计算结果的正确性,我们与现有的数据进行了对比,模拟结果与现有数据基本上是重合的,只是两条线之间的距离稍微宽一点,这可能是因为在模拟的过程中Tr(λj,z)、X(λ)和q(λ)中的波长都用532nm来代替的缘故(第6级与第12级斯托克斯转动谱线的波长分别为533.8nm和535.1nm,相差1.3nm)。比较结果的一致性说明计算方法是正确的,系统设计是可行的。计算的强度比与温度的关系如图6,温度每变化100K,比率变化0.94,灵敏度非常小。由图6模拟出参数α、β,代入(12)式,求出温度如图7所示。模拟的温度与标准大气模式相差约0.3K。模拟结果证明了用于大气温度测量的转动拉曼雷达技术的可行性。数据的处理方法非常简单、直接,因此,这种测温的雷达技术是非常吸引人的。4后向散射法提取大气温度的方法以及存在的问题本文模拟计算了不同温度下的氮气的转