[发明专利]中高层大气折射率测量装置及测量方法

说明书

本发明提出一种中高层大气折射率测量装置和测量方法。测量装置包括：激光器：包括增益管，增益管的两端封接固定腔镜和增透窗片；偏振分光镜：设置在增透窗片的外侧；第一独立腔镜：设置在偏振分光镜反射端；第二独立腔镜：设置在偏振分光镜透射端腔；高真空管：设置在偏振分光镜和第一独立腔镜之间；探测管腔：设置在偏振分光镜和第二独立腔镜之间；偏振片：设置在固定腔镜的外侧；频差探测器：探测两偏振激光的频差；频率计：与频差探测器连接，记录探测的频差值；数据处理系统：与频率计连接。本发明提供的测量方法，基于两正交偏振激光的频差计算中高层大气折射率。该装置和方法探测灵敏度高，可探测折射率非常小的中高层大气。

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种中高层大气折射率测量装置及测量方法。

背景技术

中高层大气(一般20km～200km以上)是近地空间环境的重要组成部分，其中的物理、化学和辐射过程，是影响日地空间环境、全球空间天气和地面生态环境变化的一个关键环节。而随着空天地一体化发展，有更多探测器和飞行器进入中高层大气区域活动，因此对其物理特性和环境变化的研究非常重要。

在中高层大气的特性参数中，密度和温度都是进行空间物理研究和空间天气预报的关键参量，因此，连续测量中高层区域的密度场和温度场，对于大气气候、大气动力学和大气分子含量等基础研究非常关键，有利于理解大气上下层间的相互作用，构建更准确的空间天气预报模型。同时，中高层大气的折射率与其密度、温度等有确定的数量关系，可以通过测量折射率，根据Rüeger公式、BarrellSears公式等数值模型得到。

通过激光雷达、流星雷达、中频/甚高频雷达、探空火箭和气球搭载、卫星临边探测等技术可以测量中高层大气密度和温度等。如由激光器向大气中发射特定波长的光束，与待测大气的特定成分发生相互作用，产生散射和反射光信号，并通过测量其强度、多普勒频移量或展宽等信息，反演中高层大气密度、温度、风速等；由地轨卫星搭载高精度加速度计，测量运行过程中受到大气的密度阻尼、太阳辐射光压、地球反照和外向辐射等非保守力作用在卫星上产生的加速度变化，通过定标和坐标变换后就可以反演得到大气密度。这些探测方法通常系统复杂，线性响应差，中间误差因素多，各方法之间难以相互对比。因此，直接测量中高层大气温度、密度的实施方式，测量难度大、今年高度低，并不能获得理想的测量效果。

如前文所述，大气折射率可反演推算大气的密度和温度，因此，对中高层大气折射率的测量显得尤为重要。而用激光作为媒质探测中高层大气的各种方法中，包括了基于光强变化进行探测的如散射激光雷达，基于频率变化进行探测的如多普勒测风雷达和多普勒展宽测温雷达等。其中激光器只作为输出高功率和特定波长的优良光源，需要用到大口径光学望远镜、窄线宽滤光器以及高灵敏光电探测器等，才能实现对微弱回波光信号的接收。而且由于中高层大气的物质密度低，这些方法都无法直接测量中高层大气折射率这一重要光学指标，进一步得到密度和温度等信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种结构简单、测量精度高的，针对中高层大气折射率的测量装置和测量方法。

为了达到上述目的，本发明首先提供一种中高层大气折射率测量装置，采用的技术方案为：

中高层大气折射率测量装置，包括：

激光器：为半外腔结构，包括增益管，增益管两端封接固定腔镜和增透窗片，所述增透窗片位于增益管出射光端；

偏振分光镜：设置在增透窗片的外侧，与出射光呈角度设置，增益管出射光镜偏振分光镜反射成参考激光，透射成测量激光，参考激光和测量激光的偏振方向相互正交；

第一独立腔镜：设置在偏振分光镜反射端，与增益管构成参考谐振腔；

第二独立腔镜：设置在偏振分光镜透射端，与增益管构成测量谐振腔；

高真空管：设置在参考谐振腔中偏振分光镜和第一独立腔镜之间；