[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

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，屬于激光遙感技術領域。本發明通過兩顆衛星構建掩星探測鏈路，通過發射并接收波長可調諧激光獲得大氣吸收光譜，以時間為基準得到發射光譜與接收光譜的定量信息，再通過反演手段計算得到大氣風速廓線信息。本發明通過激光波長調諧掃描技術，解決了高空大氣風速高精度高垂直分辨廓線探測問題；通過優選激光波長，可以覆蓋5km以上任意高度；通過控制激光發射能量，可以有效控制和提高探測信噪比和垂直分辨率；通過激光波長調諧掃描，可以在無高精度先驗條件、無高精度穩頻和控制的前提下自適應的完成運動多普勒頻移補償，有效降低系統研制復雜度和成本。

技術領域

本發明涉及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，屬于激光遙感技術領域。

背景技術

高空大氣風場測量在氣候、氣象、環境等多個領域具有重要價值，目前通過星載激光雷達、氣輝臨邊探測、固定波長激光掩星探測等手段已經可以實現高空大氣風場衛星遙感探測。但是這些手段仍存在一定的缺陷，因而不能完全滿足實際需求。

對于激光雷達，由于大氣后向散射信號的限制，星載相干激光雷達的測量能力一般在0～5km，星載非相干激光雷達的測量能力一般在0～30km，星載金屬離子熒光激光雷達的探測能力一般在90～110km。激光雷達技術不足在于：對于30～90km范圍的風場星載激光雷達難以實現測量。

氣輝、大氣輻射等臨邊探測技術在風場探測時的高度范圍可以擴展到300km。其不足在于：這類技術的垂直分辨率一般在3～10km量級，難以實現1km垂直分辨探測，且光譜設備難度較高。

國外在2004年前后提出了激光掩星大氣風速測量技術，采用了雙固定激光波長方案。優點是采用激光可以將垂直分辨率提高到優于1km，通過改變工作波長擴展探測高度。其主要不足是，針對不同的衛星軌道條件需要實時進行大動態多普勒頻移補償，這將大幅提高激光發射系統的研制難度、研制成本和研制周期，技術適應性有所不足。

發明內容

為解決高空大氣風速廓線激光掩星探測問題，提出了基于可調諧激光的掩星大氣測量方法，通過兩顆衛星構建掩星探測鏈路，通過發射并接收波長可調諧激光獲得大氣吸收光譜，以時間為基準建立發射光譜與接收光譜的定量信息，再通過反演手段計算得到大氣風速廓線信息。

本發明的技術解決方案是：一種基于可調諧激光的掩星大氣風速廓線測量系統，包括激光發射機、激光接收機和數據處理模塊；

激光發射機包括光譜激光器、激光鑒頻器、發射計時器和發射光學系統；光譜激光器發射波長調諧激光，波長調諧激光的第一部分進入激光鑒頻器，由激光鑒頻器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，由發射計時器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；波長調諧激光的第二部分進入發射光學系統，經發射光學系統后進入地球大氣并最終到達激光接收機；

激光接收機包括接收光學系統、光電探測采樣模塊和接收計時器；接收光學系統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，由光電探測采樣模塊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，并由接收計時器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；

數據處理模塊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。

進一步地，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。

進一步地，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。

進一步地，所述風速為其中，c為光速，Δλ_wi為風速導致的波長位移，λ₀為接收光譜的吸收峰標準位置。