[发明专利]激光外差光谱仪的仪器线型函数测量方法

说明书

本发明公开了激光外差光谱仪的仪器线型函数测量方法，将窄线宽激光器的窄线宽激光作为激光外差光谱仪的输入信号，激光外差光谱仪的输出信号即为激光外差光谱仪的仪器线型函数。本发明测量过程简便，实现了激光外差光谱仪的仪器线型函数的快速测量，且测量结果精度高，为准确计算激光外差光谱仪的光谱分辨率提供可靠依据，为提高基于测量光谱进行目标气体浓度反演的精度奠定了基础。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其是激光外差光谱仪的仪器线型函数测量方法。

背景技术

激光外差技术在测量气体分子吸收光谱方面具有高灵敏度、高分辨率等优点，其光谱分辨能力一般高于10⁵，可满足大部分气体高分辨率吸收谱线的测量要求。但在光谱测量过程中，由于仪器线型函数对吸收谱线的平滑作用，使得基于光谱反演得到的待测气体浓度产生误差。因此，利用激光外差技术进行高分辨率的光谱测量时，准确获取激光外差光谱测量装置的仪器线型函数，减小因仪器线型函数对反演的影响，获得准确的反演结果，成为激光外差光谱测量技术研究中的关键环节。

现有技术中，公开了使用液氮冷却铅盐激光器搭建了9.06μm激光外差臭氧测量系统，该测量系统理论光谱分辨率为0.0013cm^-1，反演出的臭氧浓度与臭氧探空仪具有较好的一致性,然而由于该测量系统对光谱数据的平滑作用，难以准确反演出30km高度以上的臭氧浓度。现有技术中，还公开了以4.4μm波段窄线宽量子级联激光器为本振信号源的激光外差光谱测量系统，该测量系统在射频滤波带宽为60MHz的情况下，测量了气体吸收池内不同压强下CO₂的吸收线宽，并通过光谱去卷积得到该测量系统实际光谱分辨率为0.0078cm^-1，分辨率低于所使用的射频滤波带宽。

上述激光外差光谱测量系统采用了较大的滤波带宽或积分时间，虽然可获得较高的信噪比，但测量得到的谱线未能扣除仪器线型函数的影响，反演待测气体浓度时会产生较大的偏差；其次，射频滤波器频域响应函数对激光外差光谱仪的仪器线型函数有较大影响，将其作为激光光谱仪的仪器线型函数耦合进反演过程，未考虑积分时间的影响。因此，在未获得实际仪器线型函数的情况下，虽提高了反演精度，但反演结果仍存在较大误差。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供激光外差光谱仪的仪器线型函数测量方法，解决了目前无法获取实际工作状态下的激光外差光谱仪的仪器线型函数的问题，为准确获取激光外差光谱仪的光谱分辨率提供了依据，为提高气体浓度反演精度奠定了基础。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

激光外差光谱仪的仪器线型函数测量方法：

将窄线宽激光作为输入信号输入激光外差光谱仪中；

窄线宽激光与激光外差光谱仪中的本振激光合束，输入到探测器中实现光学混频，并产生差频信号；

差频信号依次经过激光外差光谱仪中射频滤波器、功率检波器、锁相放大器后，对激光外差光谱仪的输出信号即锁相放大器的输出信号进行数据采集；

锁相放大器的输出信号即为激光外差光谱仪的仪器线型函数。

窄线宽激光的线宽小于本振激光线宽的三分之一。

窄线宽激光的波长位于本振激光的波长扫描范围的中心。

窄线宽激光的功率起伏小于5％。

激光外差光谱仪的本振激光的波长及扫描范围、射频滤波的通频带宽、锁相放大器的积分时间的设置，均与激光外差光谱仪进行光谱测量时的设置保持一致。

使用数据采集卡对锁相放大器的输出信号进行数据采集，对采集到的输出信号进行归一化处理后，即可得到激光外差光谱仪的仪器线型函数。

本发明的优点在于：