[發明專利]同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置及方法

有效

• 申請號: 202010436957.6
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111562236B
• 公開（公告）日: 2023-01-13
• 發明（設計）人: 高曉明;談圖;熊偉;李竣;王晶晶;文輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/27
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 任崗生

1.一種同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置，包括激光外差部件和與其連接的光譜采集處理部件，其特征在于：

所述地面模擬裝置還置有與激光外差部件連接的大氣風速、溫度模擬部件；

所述大氣風速、溫度模擬部件為寬帶光源（1）及其輸出光路上依次置有的帶通孔拋物鏡（2）、模擬氣體吸收池（3）和模擬風速轉輪（5），其中，位于帶通孔拋物鏡（2）背面的寬帶光源（1）的輸出光路處于通孔中，模擬氣體吸收池（3）附有模擬氣體溫控器（4），以獲得途經模擬氣體吸收池（3）和帶通孔拋物鏡（2）的模擬風速轉輪（5）的攜帶大氣分子吸收信息的后向散射光；

所述激光外差部件為輸入端與激光控制器（7）電連接的窄線寬激光器（6），以及其輸出光路上依次置有的分束器（8）和合束器（9），其中，合束器（9）的另一輸入端位于后向散射光的輸出光路上，用于將本振窄線寬激光與后向散射光進行混頻，以獲得外差光；

所述光譜采集處理部件由輸出端與激光控制器（7）電連接、輸入端分別與分束器（8）另一輸出光路上置有的帶參考氣體溫控器（12）的參考氣體吸收池（11）輸出光路上的光電探測器（13）和串接的平方律響應探測器（10）、帶通濾波器（14）及肖特基二極管（15）電連接的數據采集處理器（16）組成，其中，參考氣體吸收池（11）內置與模擬氣體吸收池（3）相同的氣體，平方律響應探測器（10）位于合束器（9）的輸出光路上，用于由數據采集處理器（16）根據光電探測器（13）獲取的參考光譜和平方律響應探測器（10）獲取的信號光譜的頻率差來獲得風速、風向信息，以及根據模擬氣體吸收池中氣體分子的相鄰兩根吸收譜線的強度比來獲得該吸收池內氣體的溫度，以通過調節模擬氣體吸收池的溫度，得到氣體分子相鄰兩根吸收譜線強度比值與溫度之間的定標關系曲線。

2.根據權利要求1所述的同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置，其特征是寬帶光源（1）為放大自發輻射光源，或發光二極管光源，或超連續光源。

3.根據權利要求1所述的同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置，其特征是模擬氣體吸收池（3）和參考氣體吸收池（11）中的氣體均為氧氣體，或二氧化碳氣體，或水汽氣體。

4.根據權利要求1所述的同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置，其特征是模擬風速轉輪（5）的邊緣位于帶通孔拋物鏡（2）的焦點處。

5.根據權利要求1所述的同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置，其特征是后向散射光的光強與大氣輝光的光強相同或相近。

6.根據權利要求1所述的同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置，其特征是窄線寬激光器（6）為紅外分布反饋式激光器，或量子級聯激光器，或帶間級聯激光器。

7.根據權利要求1所述的同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置，其特征是分束器（8）進入合束器（9）的透射光與進入參考氣體吸收池（11）的反射光的分束百分比例為80-99%：1-20%。

8.根據權利要求1所述的同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置，其特征是合束器（9）的另一輸入端位于后向散射光的焦點處。

9.根據權利要求1所述的同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬裝置，其特征是平方律響應探測器（10）為碲鎘汞光電探測器，或碲錫鉛光電探測器，或銦鎵砷光電探測器。

10.一種同時測量大氣多參數的星載激光外差系統地面模擬方法，包括使用激光與非相干光外差法獲得外差光，由混頻光譜反演出風速、風向和溫度，其特征在于完成步驟如下：

使用來回穿越模擬氣體吸收池的非相干光獲得與大氣輝光強度相同或相近的攜帶大氣分子吸收信息的信號光；

使用激光與信號光混頻，獲得外差光，同時由穿越內置與模擬氣體吸收池同種氣體的參考氣體吸收池的激光獲得參考光；

分別將外差光轉化為信號光譜、參考光轉化為參考光譜；

由參考光譜和信號光譜的頻率差獲得風速、風向信息，并由模擬氣體吸收池中氣體分子的相鄰兩根吸收譜線的強度比獲得該吸收池內氣體的溫度；

調節模擬氣體吸收池的溫度，得到氣體分子相鄰兩根吸收譜線強度比值與溫度之間的定標關系曲線。