[發明專利]一種基于可調諧激光的掩星大氣風速廓線測量系統及方法

有效

• 申請號: 201911032543.0
• 申請日: 2019-10-28
• 公開（公告）號: CN110836982B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 王玉詔;陶宇亮
• 申請（專利權）人: 北京空間機電研究所
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 王衛軍

1.一種基于可調諧激光的掩星大氣風速廓線測量系統，其特征在于：包括激光發射機(1)、激光接收機(2)和數據處理模塊(3)；

激光發射機(1)包括光譜激光器(4)、激光鑒頻器(5)、發射計時器(6)和發射光學系統(7)；光譜激光器(4)發射波長調諧激光，波長調諧激光的第一部分進入激光鑒頻器(5)，由激光鑒頻器(5)測量波長調諧激光的波長及能量，并將測得的波長及能量發送至發射計時器(6)，由發射計時器(6)記錄發射波長及能量對應的時刻，并將發射能量和時刻數據傳輸給數據處理模塊(3)；波長調諧激光的第二部分進入發射光學系統(7)，經發射光學系統(7)后進入地球大氣并最終到達激光接收機(2)；

激光接收機(2)包括接收光學系統(8)、光電探測采樣模塊(9)和接收計時器(10)；接收光學系統(8)接收波長調諧激光的第二部分，然后將第二部分發送至光電探測采樣模塊(9)，由光電探測采樣模塊(9)測量接收到的激光的能量，把測得的能量發送至接收計時器(10)，并由接收計時器(10)記錄下能量到達時刻，并將接收能量和時刻數據傳輸給數據處理模塊(3)；

數據處理模塊(3)接收發射能量和時刻數據以及接收能量和時刻數據，計算掩星過程中光路與大氣層切點高度上的風速，由不同切點高度上的風速構建風速廓線；

風速的計算方法為：

由衛星軌道參數計算的相對運動多普勒波移數據列{Δλ_ci}；

由衛星軌道參數結合大氣模型計算的切點高度數據列{h_i}；由衛星軌道參數結合大氣模型計算的過各切點高度的傳輸路段離散長度{L(h_i,h_j)}，j為分層大氣模型下指定切點高度時所過各高度層的序號；

光路延時校正：根據激光傳輸延遲時間序列{Δt_di}得到接收信號與發射光譜的對應關系：

{P_ri(λ_si-Δλ_di)}；

衛星多普勒波移校正：根據衛星相對運動多普勒波移{Δλ_ci}得到接收信號與光譜的對應關系：

{P_ri(λ_si-Δλ_di-Δλ_ci)}；

測量風速：根據標準光譜數據庫得接收光譜的吸收峰標準位置λ₀，而由{P_ri(λ_si-Δλ_di-Δλ_ci)}得到的吸收峰位置為λ_x，因此有頻移：

{Δλ_wi}＝{λ_xi-λ₀}

從而得到風速：

式中c為光速；

其中，光譜激光發射采樣時刻數據列{t_sgi}，其中t為時間，s表示光譜，g表示發射，i為數據序號；

光譜激光發射波長數據列{λ_si}，其中λ表示波長；

光譜激光發射能量數據列{P_si}，其中P表示功率；

光譜激光接收時刻數據列{t_ri}，其中r表示接收；

光譜激光接收能量數據列{P_ri}；

激光發射機(1)與激光接收機(2)光路延遲時間數據列{Δt_di}；

激光發射機(1)與激光接收機(2)光路延遲對應的波長位移數據列{Δλ_di}，所述第一部分的能量占比不大于波長調諧激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。

2.根據權利要求1所述的一種基于可調諧激光的掩星大氣風速廓線測量系統，其特征在于：所述波長調諧激光的中心波長位于示蹤分子吸收峰處，調節范圍不小于吸收光譜線寬的100倍。