CN106643668A - 大气激光掩星信号生成与探测设备 - Google Patents

Abstract

大气激光掩星信号生成与探测设备，属于大气遥感测量技术领域，为解决现有掩星信号生成系统无法测量特征气体成分和浓度问题，包括频率与功率稳定电路、量子阱激光器阵列、光束耦合器、光纤隔离器、功率放大器、光学发射天线、第一滤光片、第一准直镜、第一二维振镜、第二滤光片、第一耦合透镜、第一信标光激光器、第二耦合透镜、第一成像相机、光学接收天线、第三滤光片、第二准直镜、第二二维振镜、第四滤光片、第三耦合透镜、第二信标光激光器、第四耦合透镜、第二成像相机、第三准直镜、柱面镜、衍射光栅、成像反射镜、成像CCD、信号处理电路和数据反演模块；该设备在大气化学、全球气候变化、军事战场飞行器监视等领域具有广泛的应用前景。

Description

大气激光掩星信号生成与探测设备

技术领域

本发明涉及一种激光掩星信号生成与探测设备，具体涉及一种测量温度场、风场、特征气体成分浓度的大气激光掩星探测设备，属于大气遥感测量技术领域。

背景技术

掩星技术是众多大气遥感测量方法之一，对大气化学和全球气候变化监测具有重要价值。现有的掩星技术是以无线电信号为载体，具体工作过程为当无线电信号穿过行星大气层时，由于折射率梯度的存在，电波信号会弯曲.利用这种弯曲信息，可以反演大气折射率，并在一定的近似条件下可以进一步反演对应的大气物理参量包括密度、温度、水汽等。相比于传统的探空气球和探空火箭，无线电掩星技术具有区域、高测量范围广、测量精度高等优点。不过由于无线电信号在电磁波谱中波长较长，测量精度受限，且无法测量温室气体如甲烷、二氧化碳等的成分和浓度。而激光掩星技术以激光为载体，能较好的弥补无线电掩星技术的缺点，具有较好的测量精度，同时激光信号覆盖温室气体的吸收峰，可以较好测量温室气体的成分和浓度。所以大气激光掩星技术是未来掩星技术的发展趋势之一。

中国专利“一种单载体多天线掩星信号生成系统”，公开号为CN103675845 A，专利提出了单载体多天线掩星信号生成系统，具体包括直达星-掩星数据实时生成单元和直达星-掩星实时承担单元。发明能够仿真处导航定位信号、电离层掩星信号和中性大气掩星信号，实现了对单载体多天线掩星信号的真实生成，并可以组成掩星信号源仿真网络进行多颗星掩星信号仿真模拟。该专利掩星信号为无线电信号，无法测量大气特征气体的成分和浓度。无线电信号与激光掩星信号产生和探测有较大区别。国外仅是报道了激光掩星地面实验结果和部分反演算法，没见有探测设备的具体设计，国内大气激光掩星技术未见报道。

发明内容

本发明为解决现有掩星信号生成系统掩星信号为无线电信号，无法测量大气特征气体的成分和浓度的问题，提出一种大气激光掩星信号生成与探测设备。

本发明采取以下技术方案：

大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征是，频率与功率稳定电路与量子阱激光器阵列电路连接；量子阱激光器阵列、光束耦合器、光纤隔离器和功率放大器依次光纤连接；功率放大器的输出光纤位于光学发射天线的焦点位置；第一滤光片位于功率放大器和光学发射天线光路之间，并与光轴成45°夹角放置；第一准直镜与第一滤光片反射光路对准；第一二维振镜与第一准直镜的光轴成135°夹角放置，第二滤光片与第一二维振镜平行放置，第一耦合透镜与第二滤光片透射光路对准，第一信标光激光器输出端口位于第一耦合透镜的焦点处；第二耦合透镜与第二滤光片反射光路对准，第一成像相机靶面位于第二耦合透镜的焦点处；光学接收天线和第三准直镜组合形成无焦系统；第三滤光片位于光学接收天线和第三准直镜之间，且与光轴成135°夹角放置；第二准直镜与第三滤光片的反射光路对准；第二二维振镜与第二准直镜的光轴成45°夹角放置，第四滤光片与第二二维振镜平行放置，第三耦合透镜与第四滤光片透射光路对准，第二信标光激光器输出端口位于第三耦合透镜的焦点处；第四耦合透镜与第四滤光片反射光路对准，第二成像相机靶面位于第四耦合透镜的焦点处；第三准直镜、柱面镜与衍射光栅同轴设置，衍射光栅倾斜放置；成像反射镜接收衍射光栅的衍射光；成像CCD位于成像反射镜的焦点处；成像CCD、信号处理电路和数据反演模块依次电路连接。

本发明的有益效果是：本发明提出星载大气激光信号生成与探测设备的具体设计和硬件实现，突破了现有掩星信号生成系统掩星信号为无线电信号的技术研究；该设备将捕获跟踪硬件融合到大气激光掩星中，可以满足星载远距离大气掩星探测的要求；该设备测量的温度，风场等参数精度高，而且可以测量大气特征气体的成分和浓度。

本发明所述大气激光掩星信号生成与探测设备在大气化学、全球气候变化、军事战场飞行器监视等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明大气激光掩星信号生成与探测设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，大气激光掩星信号生成与探测设备，包括频率与功率稳定电路1、量子阱激光器阵列2、光束耦合器3、光纤隔离器4、功率放大器5、光学发射天线6、第一滤光片7、第一准直镜8、第一二维振镜9、第二滤光片10、第一耦合透镜11、第一信标光激光器12、第二耦合透镜13、第一成像相机14、光学接收天线15、第三滤光片16、第二准直镜17、第二二维振镜18、第四滤光片19、第三耦合透镜20、第二信标光激光器21、第四耦合透镜22、第二成像相机23、第三准直镜24、柱面镜25、衍射光栅26、成像反射镜27、成像CCD28、信号处理电路29和数据反演模块30。

频率与功率稳定电路1与量子阱激光器阵列2电路连接。所述量子阱激光器阵列2为多个量子阱激光器组合，每个激光器发射波段为2.1-2.4μm。

量子阱激光器阵列2、光束耦合器3、光纤隔离器4和功率放大器5依次光纤连接。功率放大器5的输出光纤位于光学发射天线6的焦点位置。所述功率放大器5为半导体光放大器，用于放大激光器发射处的光。

第一滤光片7位于功率放大器5和光学发射天线6光路之间，并与光轴成45°夹角放置。第一准直镜8与第一滤光片7反射光路对准。第一二维振镜9与第一准直镜8的光轴成135°夹角放置，第二滤光片10与第一二维振镜9平行放置，第一耦合透镜11与第二滤光片10透射光路对准，第一信标光激光器12输出端口位于第一耦合透镜11的焦点处。第二耦合透镜13与第二滤光片10反射光路对准，第一成像相机14靶面位于第二耦合透镜13的焦点处。

光学接收天线15和第三准直镜24组合形成无焦系统，第三滤光片16位于光学接收天线15和第三准直镜24之间，且与光轴成135°夹角放置。第二准直镜17与第三滤光片16的反射光路对准。第二二维振镜18与第二准直镜17的光轴成45°夹角放置，第四滤光片19与第二二维振镜18平行放置，第三耦合透镜20与第四滤光片19透射光路对准，第二信标光激光器21输出端口位于第三耦合透镜20的焦点处。第四耦合透镜22与第四滤光片19反射光路对准，第二成像相机23靶面位于第四耦合透镜22的焦点处。柱面镜25、衍射光栅26、成像反射镜27和第三准直镜24光路对准。衍射光栅26倾斜放置。所述柱面镜25用于形成线性光并投射到衍射光栅26。所述衍射光栅26属于2μm波段光栅，用于分离该波段的光。所述成像反射镜27为非球面反射镜，镀有2μm波段反射膜。

成像CCD28位于成像反射镜27的焦点处。所述成像CCD28为2μm波段的成像CCD。信号处理电路29、数据反演模块30和成像CCD28电路连接。

所述光学发射天线6和光学接收天线15镀有2μm波段和0.8μm波段的增透膜。

所述第一滤光片7和第三滤光片15用于分离2μm波段和0.8μm波段的光。

所述第二滤光片10和第四滤光片19用于分离第一信标光激光器12和第二信标光激光器21所发射出的激光，两激光器波长差大于20nm。

所述第一成像相机14和第二成像相机23属于0.8μm波段的粗精复合跟踪用相机。

本发明大气激光掩星信号生成与探测设备具体工作过程如下：

捕获指向跟踪过程：由第一信标光激光器12发射出信标光经由第一耦合透镜11、第二滤光片10、第一二维振镜9、第一准直镜8、第一滤光片7和光学发射天线6发射出去；

经过大气后的信标光由光学接收天线15、第三滤光片16、第二准直镜17、第二二维振镜18、第四滤光片19和第四耦合透镜22进入第二成像相机23；根据第二成像相机23靶面的光斑位置差信息调节第二二维振镜18，使得第二成像相机23靶面的光斑进入靶面中心。此时，第二信标光激光器21发出信标光经由第三耦合透镜20、第四滤光片19、第二二维振镜18、第二准直镜17、第三滤光片16和光学接收天线15发射出去；经过大气后的信标光由光学发射天线15第一滤光片7、第一准直镜8、第一二维振镜9、第二滤光片10和第二耦合透镜13进入第一成像相机14；根据第一成像相机14靶面的光斑位置差信息调节第一二维振镜9，使得第一成像相机14靶面的光斑进入靶面中心。从而完成捕获指向跟踪。

大气参数测试过程：频率与功率稳定电路1控制量子阱激光器阵列2的频率漂移和功率漂移。量子阱激光器阵列2发出激光，多路多波长激光经由光束耦合器3合为一束光经过光纤隔离器4进入功率放大器5进行能量放大。放大后的激光由光学发射天线6发射出去。经过大气吸收和偏折的多波长激光由光学接收天线15、第三滤光片16、第三准直镜24进入柱面镜25转变为线形光束，线形光束进入衍射光栅26衍射分离为不同波长的光。经过衍射分离的光经由成像反射镜27会聚到成像CCD28上。成像CCD28上可以得到入射光的波长及相关谱强度。所得信号由信号处理电路29预先处理并输给数据反演模块30。由于多波长激光经过大气时将发生偏折、产生多普勒频移、被温室气体吸收，数据反演模块30预先处理过的数据可以反算出大气的温度场、风场以及温室气体的成分和浓度。

Claims (9)

1.大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征是，

频率与功率稳定电路(1)与量子阱激光器阵列(2)电路连接；

量子阱激光器阵列(2)、光束耦合器(3)、光纤隔离器(4)和功率放大器(5)依次光纤连接；

功率放大器(5)的输出光纤位于光学发射天线(6)的焦点位置；第一滤光片(7)位于功率放大器(5)和光学发射天线(6)光路之间，并与光轴成45°夹角放置；第一准直镜(8)与第一滤光片(7)反射光路对准；第一二维振镜(9)与第一准直镜(8)的光轴成135°夹角放置，第二滤光片(10)与第一二维振镜(9)平行放置，第一耦合透镜(11)与第二滤光片(10)透射光路对准，第一信标光激光器(12)输出端口位于第一耦合透镜(11)的焦点处；第二耦合透镜(13)与第二滤光片(10)反射光路对准，第一成像相机(14)靶面位于第二耦合透镜(13)的焦点处；

光学接收天线(15)和第三准直镜(24)组合形成无焦系统；第三滤光片(16)位于光学接收天线(15)和第三准直镜(24)之间，且与光轴成135°夹角放置；第二准直镜(17)与第三滤光片(16)的反射光路对准；第二二维振镜(18)与第二准直镜(17)的光轴成45°夹角放置，第四滤光片(19)与第二二维振镜(18)平行放置，第三耦合透镜(20)与第四滤光片(19)透射光路对准，第二信标光激光器(21)输出端口位于第三耦合透镜(20)的焦点处；第四耦合透镜(22)与第四滤光片(19)反射光路对准，第二成像相机(23)靶面位于第四耦合透镜(22)的焦点处；第三准直镜(24)、柱面镜(25)与衍射光栅(26)同轴设置，衍射光栅(26)倾斜放置；成像反射镜(27)接收衍射光栅(26)的衍射光；成像CCD(28)位于成像反射镜(27)的焦点处；成像CCD(28)、信号处理电路(29)和数据反演模块(30)依次电路连接。

2.根据权利要求1所述的大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征在于，所述量子阱激光器阵列(2)为多个量子阱激光器组合，每个激光器发射波段为2.1-2.4μm。

3.根据权利要求1所述的大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征在于，所述功率放大器(5)为半导体光放大器，用于放大激光器发射处的光。

4.根据权利要求1所述的大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征在于，所述光学发射天线(6)和光学接收天线(15)镀有2μm波段和0.8μm波段的增透膜。

5.根据权利要求1所述的大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征在于，所述第一滤光片(7)和第三滤光片(15)用于分离2μm波段和0.8μm波段的光。

6.根据权利要求1所述的大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征在于，所述第二滤光片(10)和第四滤光片(19)用于分离第一信标光激光器(12)和第二信标光激光器(21)所发射出的激光，两激光器波长差大于20nm。

7.根据权利要求1所述的大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征在于，

所述衍射光栅(26)为2μm波段光栅，用于分离该波段的光。

8.根据权利要求1所述的大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征在于，所述成像反射镜(27)为非球面反射镜，镀有2μm波段反射膜。

9.根据权利要求1所述的大气激光掩星信号生成与探测设备，其特征在于，所述第一成像相机(14)和第二成像相机(23)为0.8μm波段的粗精复合跟踪用相机。