赛恩科仪锁相放大器OE1201在吸收光谱中的应用
2024年1月，中国科学院安徽光学精密机械研究所的黄印博、曹振松团队发表了一篇文章，该文章通过分析大气输送的反向轨迹，研究了水蒸气密度与大气运动之间的关系，并确定H2O柱状密度和HDO/H2O比例的变化与大气运动有关系。
青藏高原被称为世界的“第三极”，其环境变化深刻影响着东亚甚至全球气候。HDO是水蒸气的稳定同位素，是研究水循环的理想示踪剂，并且常用于大气环流和气候研究。黄印博、武鹏飞团队于2019年8月在格尔木地区使用便携式激光外差辐射计(Laser Heterodyne Radiometer, LHR)获取了大气中HDO和H2O的吸收光谱，并采用最优估计方法检测了HDO和H2O的密度，得到H2O的平均柱状密度为1.22，在观测期间格尔木的HDO/H2O比例为178±15×10-6。
【测试方法 & 部分测试结果】
图1 激光外差光谱技术流程
激光外差光谱技术利用窄线宽激光器与输入光信号混合。外差检测器(Heterodyne Detector)理论上可产生的总光电流值为：
其中ALO和AS分别是激光信号和输入光信号的振幅，νLO分别νS是激光信号和输入光信号的频率，η是检测器的效率。公式的第二项是混频信号，其功率为：
当输入光信号功率较弱时，它所携带的光强信息可以通过局部振荡器(Local Oscillator, LO)产生的光信号进行放大。生成的混频信号经过滤波、检测和解调处理，得到大气气体的吸收光谱信号。
图2 (a)激光外差辐射计和 (b)紧凑外差模型 的布局
激光外差辐射计由三个�？樽槌�：太阳追踪�？�、混频�？楹托藕糯砟？�。太阳光被太阳追踪器捕获并与局部振荡器产生的光信号混合，为了增强混频信号，振荡光信号和太阳光信号的混合比约为激光外差辐射计由三个�？樽槌�：太阳追踪�？�、混频�？楹托藕糯砟？�。太阳光被太阳追踪器捕获并与局部振荡器产生的光信号混合，为了增强混频信号，振荡光信号和太阳光信号的混合比约为10%：90%。混合光通过斜轴抛物面(off-axis parabolic, OAP)聚焦并输入到检测器中。然后，介质信号由射频设备处理，并使用锁相放大器OE1201解调。
测量得到的混频光谱通过最优估计方法（Optimal Estimation Method，OEM）进行反演，该方法由C. Rodgers开发，广泛用于大气反演，可以通过自设参数（如大气层、迭代次数和迭代类型）获得可信的结果。HDO和H2O反演的流程如图3所示。
图3 反演流程图
图4 测量和反演拟合光谱
采用OEM方法后,得到了更准确的符合测量光谱的拟合。在反演过程中分别获取了HDO和H2O的吸收光谱。其中一组测量和反演拟合光谱如图4所示：蓝线为HDO的拟合光谱，绿线为H2O的拟合光谱，红线为反演拟合的合成光谱。残留光谱小于±0.1 V。
图5 8月2日测量得到的(a)先验剖面、H2O和HDO的反演剖面变化曲线，(b) HDO/H2O的比值曲线
图5 的测量结果提供了范围在10公里以下的大气中HDO和H2O分布的信息。在上层大气中，HDO和H2O的密度明显较低，并且激光外差辐射计的灵敏度不足以检测它们。而在这个范围内反演得到的值几乎与先验剖面相同，表明基于更高灵敏度和更全面的反演算法，可以在较低对流层内利用激光外差辐射计反演出H2O和HDO的剖面。
【总结】
2019年8月，黄印博、曹振松团队成功在格尔木地区使用自建的3.66μm的激光外差辐射计获取大气中HDO和H2O的吸收光谱，在实验期间的平均柱状密度为1.07至1.4g/cm2 ，在观测期间格尔木的HDO/H2O比例为163×10-6至193×10-6。在光谱研究过程中，黄印博、武鹏飞团队根据高度网格的分析优化了检索过程中的高度间隔，通过精细化的高度层减少了冗余信息。同时该研究采用反向轨迹分析来研究H2O（HDO）密度与大气运动之间的关系，并根据观测结果说明气流的起源和路径能够对H2O密度和同位素丰度产生影响。
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