[发明专利]一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法

说明书

一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法，属于激光遥感技术领域。本发明通过两颗卫星构建掩星探测链路，通过发射并接收波长可调谐激光获得大气吸收光谱，以时间为基准得到发射光谱与接收光谱的定量信息，再通过反演手段计算得到大气风速廓线信息。本发明通过激光波长调谐扫描技术，解决了高空大气风速高精度高垂直分辨廓线探测问题；通过优选激光波长，可以覆盖5km以上任意高度；通过控制激光发射能量，可以有效控制和提高探测信噪比和垂直分辨率；通过激光波长调谐扫描，可以在无高精度先验条件、无高精度稳频和控制的前提下自适应的完成运动多普勒频移补偿，有效降低系统研制复杂度和成本。

技术领域

本发明涉及一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法，属于激光遥感技术领域。

背景技术

高空大气风场测量在气候、气象、环境等多个领域具有重要价值，目前通过星载激光雷达、气辉临边探测、固定波长激光掩星探测等手段已经可以实现高空大气风场卫星遥感探测。但是这些手段仍存在一定的缺陷，因而不能完全满足实际需求。

对于激光雷达，由于大气后向散射信号的限制，星载相干激光雷达的测量能力一般在0～5km，星载非相干激光雷达的测量能力一般在0～30km，星载金属离子荧光激光雷达的探测能力一般在90～110km。激光雷达技术不足在于：对于30～90km范围的风场星载激光雷达难以实现测量。

气辉、大气辐射等临边探测技术在风场探测时的高度范围可以扩展到300km。其不足在于：这类技术的垂直分辨率一般在3～10km量级，难以实现1km垂直分辨探测，且光谱设备难度较高。

国外在2004年前后提出了激光掩星大气风速测量技术，采用了双固定激光波长方案。优点是采用激光可以将垂直分辨率提高到优于1km，通过改变工作波长扩展探测高度。其主要不足是，针对不同的卫星轨道条件需要实时进行大动态多普勒频移补偿，这将大幅提高激光发射系统的研制难度、研制成本和研制周期，技术适应性有所不足。

发明内容

为解决高空大气风速廓线激光掩星探测问题，提出了基于可调谐激光的掩星大气测量方法，通过两颗卫星构建掩星探测链路，通过发射并接收波长可调谐激光获得大气吸收光谱，以时间为基准建立发射光谱与接收光谱的定量信息，再通过反演手段计算得到大气风速廓线信息。

本发明的技术解决方案是：一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统，包括激光发射机、激光接收机和数据处理模块；

激光发射机包括光谱激光器、激光鉴频器、发射计时器和发射光学系统；光谱激光器发射波长调谐激光，波长调谐激光的第一部分进入激光鉴频器，由激光鉴频器测量波长调谐激光的波长及能量，并将测得的波长及能量发送至发射计时器，由发射计时器记录发射波长及能量对应的时刻，并将发射能量和时刻数据传输给数据处理模块；波长调谐激光的第二部分进入发射光学系统，经发射光学系统后进入地球大气并最终到达激光接收机；

激光接收机包括接收光学系统、光电探测采样模块和接收计时器；接收光学系统接收波长调谐激光的第二部分，然后将第二部分发送至光电探测采样模块，由光电探测采样模块测量接收到的激光的能量，把测得的能量发送至接收计时器，并由接收计时器记录下能量到达时刻，并将接收能量和时刻数据传输给数据处理模块；

数据处理模块接收发射能量和时刻数据以及接收能量和时刻数据，计算掩星过程中光路与大气层切点高度上的风速，由不同切点高度上的风速构建风速廓线。

进一步地，所述第一部分的能量占比不大于波长调谐激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。

进一步地，所述波长调谐激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。

进一步地，所述风速为其中，c为光速，Δλ_wi为风速导致的波长位移，λ₀为接收光谱的吸收峰标准位置。