合成孔径激光雷达系统中基于光谱吸收的波长定标方法研究

材料是熔融硅，利用玻璃熔融的方法把透射窗与吸收池融合在一起。为了防止传输信号的边缘干涉，透射窗具有2°楔角并以11°倾角进行安装。吸收池首先进行泄漏检查，然后填充高纯的H13C14N气体，一旦气体充满，进行全玻璃封装。吸收池安全地安装在一个铝的支架上。通过商用的前轴定向器把光纤耦合准直器也安装在这个铝的支架上。利用如图2所示的分子波长参考器可以广泛地应用于宽带光源与窄带光源的波长校准。

選用氰化氢分子波长参考器进行波长定标的优点[8]：①分子谱线很容易获得，仅让光通过一个气体池就可观察吸收光谱；②在这个区域分子有强烈的吸收带，并且光谱简单，容易鉴别每条吸收线；③乙炔和氰化氢两种混合气体的吸收光谱覆盖了1510～1565 nm的通信波段；④测量典型吸收线对应的波长，其不确定度小于0.001 nm；⑤气体吸收池很容易与光纤连接，以至于它可以与光源和光纤通信中常用的测量仪器兼容；⑥气体池的设计具有通用的校正能力，能够用于大量的光源（如，LED，放大后的自发辐射光源，白光，激光等）进行该区域的波长定标。

LED发出的光经氰化氢吸收池后的吸收光谱如图3所示。在HCN的转动和振动带的R分支和P分支大约有50条精确测量的吸收线位于1530～1560 nm区域。在温度、压力或者电磁场的环境条件发生改变时，分子吸收提供的参考也是非常稳定的。标准参考材料（SRM）能用于定标可调谐激光器的波长输出并检测波长测量仪器的准确性。

当氰化氢吸收池用于宽带光源时，可以对低分辨率的光谱分析仪进行校准；当氰化氢吸收池用于定标可调谐窄带光源的输出波长时，利用探测器或者光功率计探测经氰化氢吸收池的输出光功率，该输出光功率对应于最小吸收线的中心波长。

（3）氰化氢（HCN）分子波长参考器定标的流程

根据不同定标精度的要求，可分别采用以下步骤进行定标：

①用于低精度的波长校正（校正的不确定度>0.1 nm）：对于可调谐光源，简单设置指针到透过谱线的最小值，并使调谐步长小于0.01 nm。

②用于中等精度的波长校正（校正的不确定度在（0.01～0.1 nm）范围内）：需要考虑光源的输出功率是否随波长显著变化。当光源的输出功率随波长显著变化时，首先利用源光谱对氰化氢分子吸收池的透过光谱进行归一化处理，然后与宽带光源（LED光源）的吸收谱线进行比对，确定相应的吸收线。数据点的间距为0.005 nm。

③用于高精度的波长校正（校正的不确定度<0.01 nm）：当光源的输出功率随波长显著变化时，首先利用源光谱对氰化氢分子吸收池的透过光谱进行归一化处理，然后与宽带光源（LED光源）的吸收谱线进行比对，确定相应的吸收线。数据点的间距为0.001 nm。利用最小二乘法进行曲线拟合。

针对合成孔径激光雷达的具体应用需求，需要考虑氰化氢分子波长吸收谱线和可调谐激光器输出波段的匹配性，优化选择氰化氢分子波长参考器的波长的吸收峰作为起始波长的标定，充分提高可调谐激光器输出波长的利用率。利用氰化氢分子波长参考器对各脉冲的起始波长和优选带宽进行同步控制的硬件设计，还需要进一步研究和实现。

（4）使用氰化氢分子波长参考器的安全性问题

已有文献研究了氰化氢的毒性问题，结果表明在每个标准参考材料（SAM）单元（氰化氢含量少于1 mg）是没有安全顾虑的。当前工作车间的暴露限制是每15 min4.7 ppm（5 mg/m3）。虽然更高浓度的氰化物是有毒的，但低浓度的氰化物经常发现在正常人的血液里。研究人员估计正常血液的氰化物浓度大约是0.4 mg/L，吸烟人血液的氰化物浓度更高。氰化物离子很容易扩散到身体的所有部分，即使人吸入或者吞咽了整个标准参考材料池内的氰化物，这个氰化物的浓度仍然少于正常人血液中本底水平。鉴于以上资料，可以认为采用氰化氢气体吸收池作为分子波长参考器进行波长定标用于合成孔径激光雷达系统是可行的。

3 结论

本文针对合成孔径激光雷达进行波长定标的必要性，介绍了利用HCN分子波长参考器进行波长定标的原理、定标流程以及安全性问题，说明利用HCN分子波长参考器可以满足合成孔径激光雷达对波长定标的要求，有效安全的进行波长定标，实现高精度的探测成像。由于HCN气体吸收池是通过铝架结构进行固定，需要考虑合成孔径激光雷达在实际使用时抗冲击震动的要求。

参考文献：

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（責任编辑：曾 晶）

Abstract： The influences of high order phase error signal and wavelength repeatability of linear frequency modulation on synthetic aperture imaging quality of synthetic aperture lidar was pointed out firstly. Based on reference channel， the system structure of synthetic aperture lidar was introduced to solve the above mentioned problems.The characteristics of synthetic aperture laser radar echo signal were analyzed by the simulation calculation of parameters. Additionally， the significance of initial wavelength calibration of synthetic aperture lidar was demonstrated. Problems as calibration principle， calibration process and the safety of HCN wavelength reference device also were introduced in detail. The results show that the HCN wavelength reference device can be used for the wavelength calibration of synthetic aperture lidar system. The problems of antishock and antivibration need to be further considered in service.

Key words：synthetic aperture lidar； wavelength calibration； HCN； molecular wavelength reference device； reference channel