[发明专利]一种探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机

说明书

本发明公开了一种探测大气压力的差分吸收激光雷达发射机，发射机借助于庞德‑卓沃‑豪技术将连续波半导体种子激光器的波长主动稳定在HCN气体的R21和R22吸收线或乙炔Csubgt;2/subgt;Hsubgt;2/subgt;气体的R9和R8吸收线上；采用扫描‑保持‑泵浦方法，将种子激光注入光参量振荡器环形谐振腔、并锁定其腔长；光参量振荡器输出1529.4±0.6nm或1520nm±1.0nm波段内的双波长信号光，此信号光再经过倍频器转成764.4nm‑765.0nm或759.5nm‑760.5nm波段内的双波长激光脉冲，并且经过参量放大器放大此双波长脉冲能量，发射机最终输出波长稳定、能量较大的探测激光和参考激光；这些单元有机地整合起来，形成差分吸收激光雷达发射机。本发明的优点在于：发射机系统在保证较高的发射脉冲能量的前提下，确保发射机的探测波长和参考波长的稳定性。

技术领域

本发明涉及到探测大气压力的遥感器，特别是涉及一种探测大气压力的差分吸收激光雷达的发射机。

背景技术

大气压力是最重要的气象参数之一，目前能够观测地球表面压力的在轨运行的光学和微波遥感器很少，如中分辨率成像光谱仪MERIS，美国OCO-2和日本的GOSAT，POLDER等红外遥感器，其精度还不能达到世界气象组织要求的指标(1～2hPa)。

美国NASA Laboratory for Atmospheres，NASA戈达德空间飞行中心的C.LurenceKorb等专家，1983年提出基于氧气A吸收带凹槽，用差分吸收激光雷达探测大气压力的思想；Schwemmer等人于1987年阐述了差分吸收激光雷达系统原理，并采用闪光灯泵浦翠宝石(Alexandrite)激光器发射位于13160cm^-1(760nm)附近的两个波长，以差分吸收激光雷达探测了大气压力。1989年报道C.Laurence Korb等人在美国东海岸进行的地基或机载实验，据称获得过垂直分辨率30m、水平分辨率2km，精度2mbr的实验结果。但由于采用氧气的光声光谱的吸收池，作为发射光波长的参考基准，易受机械振动等干扰，波长的长期稳定性难以保证，所以持续稳定地工作存在困难。

在ASCENDS(Active Sensing of CO₂ Emission over Nights，Days，andSeasons)计划中，为了精确测量CO₂干混合比，也特别关注大气压力测量。NASA戈达德空间飞行中心的Mark Stephen，Michael Krainak，Haris Riris等人和Sigma SpaceCorporation的Graham R.Allan研究团队于2007-2013年连续报道他们以飞机为平台，激光发射机向下持续发出764.7nm附近的N个波长脉冲串，接收机接收地面对这些发射脉冲串的反射回波，多个脉冲串回波信号积累绘制出764.7nm附近氧气吸收谱曲线的凹槽片段(图1)，可由透过率曲线计算出氧气的光学厚度随大气压力变化，即可反演地面大气压力。该系统的激光发射机由1528.8nm-1530.0nm连续波、单纵模半导体激光器、声光斩波器、C波段掺铒光纤放大器、周期性极化KTP晶体倍频器等部分组成。致命的弱点是单脉冲能量过小(＜100μJ)，用于飞机平台可以，对于空间应用是难以想象的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在保证较高的发射脉冲能量的前提下，确保发射机的探测波长和参考波长的稳定性。稳定波长的所有措施都不是直接针对氧气A吸收带中764.4nm-765.0nm(或759.5-760.5nm)中间的两个波长，而是间接针对它们双倍的1528.8-1530nm(或1519.0-1521nm)中间两个波长。

差分吸收激光雷达用到探测波长的脉冲激光，和参考波长的脉冲激光，两个波长都位于氧气A带吸收光谱中764.4nm-765.0nm(或759.5-760.5nm)的温度不敏感片段，从该片段中探测波长和参考波长的空气柱光学厚度差，可求得大气柱压力差。