[发明专利]探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成

说明书

本发明公开了一种探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲激光雷达的组成，以H¹³C¹⁴N气体光谱吸收线作为发射激光波长稳定的基准，Online单元和Offline单元1530±0.8nm的DFB半导体连续波激光，分别被声光调制器斩波成为重复频率10kHz量级、宽度1μs以内的脉冲激光；掺铒光纤放大器提高单脉冲能量至15μJ量级，二倍频器将波长减半为765±0.4nm；轴锥体将圆形截面光束转换成环形截面光束，发射和接收光束共用望远镜。接收通道中采用F‑P标准具，on‑off光频率之差等于它的自由光谱范围的整数倍，回波由硅光子计数器所检测。由差分光学厚度反演大气的压力差。本发明优点在于：激光波长稳定；发射脉冲峰值功率小；背景光得到高效率抑制，信噪比由发射脉冲的高重复频率和回波的光子计数检测而得到补偿。

技术领域

本发明涉及大气压力垂直廓线的光学遥感仪器，涉及大气压力垂直廓线探测的激光雷达，尤其涉及到探测对流层大气压力垂直廓线的微脉冲差分吸收激光雷达。

背景技术

在与大气动力学有关的一系列大气过程中，压力扮演了很重要的角色。例如气压的水平梯度和地球自转偏向力作为基本力作用于气团，用来推演出平衡风，天气模式通常用气压等高图来描述。如低气压、高气压、低压槽、高压脊信息都被引入大气模式。1987年Nuss和Brown就已经指出，对天气模型精度的主要限制是被输入的大气压力数据地理分布的稀疏性。大气压力数据在大面积的海洋和南半球的平面分布是十分稀疏的。实际上，内陆大面积的沙漠、戈壁、甚至高原地区大气压力的观测数据也很稀疏。

固定气象台站，定期释放无线电探空气球来业务化探测大气压力，是当前气象业务部门精度最高、数据最真实的探测手段，然而航空管制部门对释放探空气球的时间有严格限制，不能允许全天时持续探测。

国际上空间在轨运行可以遥感大气压力的仪器，也只有日本GOSAT(GreenhouseGases Observing Satellite)卫星上的TANSO-FTS仪器和美国OCO(Orbiting CarbonObservatory)-2卫星上的仪器，欧洲Envisa卫星的MERIS(Medium Resolution ImagingSpectrometer)仪器。但是由于太阳天顶角的变化以及遥感仪器光谱分辨率的限制，其地球表面压力探测精度还不能满足气象预报的需要，况且晚上没有太阳光亦不能工作，只是为了遥感大气二氧化碳柱浓度的混合比，而提供大气密度的参考数据。而全球大气研究计划(Global Atmospheric Research Program)要求地球表面大气压力遥感测量精度达到0.1％，地基自下而上探测大气压力垂直廓线的精度达到0.3％，这是一项十分艰巨的任务。

我们通常说某个高度大气的压力是多少，实际上是这个高度的单位面积以上所有大气分子的重量，某个高度大气的压力也可以说，与这个高度的单位面积以上所有大气分子的总量成比例关系；氧气是大气的主要成分之一，它在整个大气层中的混合比是不变的百分数20.95％，因此以氧气作为激光雷达探测的大气压力的状态气体，那么某个高度处的大气压力就与这个高度之上大气氧气的光学厚度成对应关系。探测某个高度处的大气压力转换为探测这个高度之上氧气的光学厚度，探测某个高度处的大气压力与地表大气压力之差，转换为探测从地表到这个高度的氧气的光学厚度差。

为了排除大气压力之外的因素对大气光学厚度的影响，采用差分吸收激光雷达，探测某个高度处的大气压力与地表大气压力之差，转换为探测从地表到这个高度的氧气的双波长光学厚度差(the differential optical depth(DOD))。