CN107966712A - 一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达 - Google Patents
一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，涉及激光大气遥感领域；包括第一激光器、第二激光器、接收望远镜、面阵探测器和数据处理反演模块；第二激光器与第一激光器夹角为θ；第一激光器和第二激光器发射的激光到达地面后，由地表漫反射的回波仍然沿原光路返回接收望远镜，聚焦至面阵探测器上的不同像元位置a和b；通过a和b探测信号的反演处理，即可根据两像元探测到的信号反演出目标地区上空的痕量气体柱浓度；本发明采用连续激光探测，实现有效降低激光器的重量、体积、功耗和成本，同时实现了用于多种大气成分的机载或星载柱浓度观测。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光大气遥感领域，特别是一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达。
背景技术
当前对于大气痕量气体的主动探测主要基于拉曼散射和差分吸收原理。其中，与本项目有关的主要是差分吸收激光雷达技术。
当前用于对地痕量气体柱浓度探测的激光雷达主要为IPDA体制的脉冲激光雷达。此类激光雷达通常采用双脉冲发射，两个脉冲之间相差几百微秒的时间。其中一个激光脉冲的工作波长在目标气体分子吸收光谱范围内，设为λon。另一个激光脉冲的工作波长在目标气体分子吸收光谱范围外，设为λoff，且与λon位置极近。
激光雷达工作时，双脉冲先后到达地面，并被地表漫反射产生回波，漫反射回波先后到达接收光电系统进行信号的探测。此时，激光雷达得到的两脉冲从地表反射的回波分别为：
以上两式中，P为回波信号，C为系统标定常数，H为卫星轨道高度，T0为与目标气体分子吸收无关的大气透过率，N为痕量气体分子柱浓度，σ为分子吸收系数。
由(1)除以(2)式并转换可得
由(3)式即可得到脉冲激光雷达测量的气体分子柱浓度N。
目前上述技术存在以下问题：
1、使用脉冲调Q技术，存在30％以上的调Q损耗；
2、大脉冲能量需要较大的谐振腔尺寸，结构规模和重量较大；
3、峰值功率高，元件易损伤；
4、必须使用激光晶体经过光-光转换实现大峰值功率，电光转换效率低，载荷功耗大；
5、波长稳定性控制技术难度和成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，采用连续激光探测，实现有效降低激光器的重量、体积、功耗和成本，同时实现了用于多种大气成分的机载或星载柱浓度观测。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，包括第一激光器、第二激光器、接收望远镜、面阵探测器和数据处理反演模块；
第一激光器：向地面发射波长为λoff的连续激光波束，波长为λoff的连续激光波束到达地面时，在地面形成λoff连续激光波束光斑；λoff连续激光波束光斑经地面漫反射后，生成λoff漫反射回波光信号，穿过大气层返回至接收望远镜；
第二激光器：与第一激光器夹角为θ，同一时刻，向地面发射波长为λon的连续激光波束，波长为λon的连续激光波束到达地面时，在地面形成λon连续激光波束光斑；λon连续激光波束光斑经地面漫反射后，形成λon漫反射回波光信号穿过大气层返回至接收望远镜；
接收望远镜：接收经地面漫反射后返回的λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号；λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号通过接收望远镜聚焦在面阵探测器上；
面阵探测器：接收聚焦的λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号，并分别对λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号进行积分光电转换，生成λon电压电信号和λoff电压电信号；对λon电压电信号进行模数转换，生成λon电压数字信号Sb；对λoff电压电信号进行模数转换，生成λoff电压数字信号Sa；将λon电压数字信号Sb和λoff电压数字信号Sa发送至数据处理反演模块；
数据处理反演模块：接收λon电压数字信号Sb和λoff电压数字信号Sa；进行反演计算，得到痕量气体柱浓度N。
在上述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，所述第二激光器与第一激光器的夹角θ为5”-10°。
在上述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，所述接收望远镜和面阵探测器均水平放置；λon漫反射回波光信号聚焦在面阵探测器的b点；λoff漫反射回波光信号聚焦在面阵探测器的a点。
在上述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，所述a点与λoff漫反射回波光信号在接收望远镜输入点的连线，与b点与λon漫反射回波光信号在接收望远镜输入点的连线的夹角为θ。
在上述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，所述λon电压数字信号Sb和λoff电压数字信号Sa的计算方法为：
Sa＝CaPonΔt exp(-2OD)exp(-2Nσon) (1)
式中，Ca为a点系统标定常数；
Cb为b点系统标定常数；
Pon为第二激光器发射波长为λon的连续激光波束的发射功率；
Pon为第一激光器发射波长为λoff的连续激光波束的发射功率；
Δt为探测器积分时间；
OD为与目标分子吸收无关的大气光学厚度；
N为痕量气体柱浓度；
σon为波长为λon的连续激光波束的吸收系数；
σoff为波长为λoff的连续激光波束的吸收系数。
在上述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，所述数据处理反演模块的反演计算过程为：
将公式(1)除以公式(2)，得到：
忽略θ的影响，得到痕量气体柱浓度N：
在上述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，所述面阵探测器采用CCD探测模块、CMOS探测模块或基于光纤面阵的探测模块。
在上述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，所述激光观测雷达包括n个激光器组；每个激光器组均包括第一激光器和与第一激光器夹角为θ的第二激光器；n为大于等于1的正整数。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用了连续激光输出时节省了30％的调Q损耗，并且采用连续激光也可以使用光纤激光器、半导体激光器等具有高光电转换效率的激光器技术，比常规固体脉冲激光器的总功耗可以节省50％～85％；
(2)本发明中脉冲激光需要MW量级的脉冲输出，单脉冲能量达100mJ量级，这就需要较大的晶体和谐振腔，而连续光输出为W量级可以有效降低激光器尺寸。同时由于热耗降低，热控结构和元器件规模也有效减少。因此，综合上述因素的尺寸、重量也可有效降低；
(3)本发明中激光器的寿命一方面来自于泵浦源影响，另一方面来自于光学元件的损伤。连续激光只有W级光输出，而脉冲激光则是MW级输出，后者更易对光学元件造成不可逆损伤导致系统可靠性下降。
附图说明
图1为本发明对地探测连续激光雷达系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为对地探测连续激光雷达系统示意图，由图可知，一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，包括第一激光器1、第二激光器2、接收望远镜3、面阵探测器4和数据处理反演模块5；激光观测雷达包括n个激光器组；每个激光器组均包括第一激光器1和与第一激光器1夹角为θ的第二激光器2；n为大于等于1的正整数。
第一激光器1：向地面发射波长为λoff的连续激光波束，波长为λoff的连续激光波束到达地面时，在地面形成λoff连续激光波束光斑；λoff连续激光波束光斑经地面漫反射后，生成λoff漫反射回波光信号，穿过大气层返回至接收望远镜3；
第二激光器2：与第一激光器1夹角为θ，θ为5”-10°；同一时刻，向地面发射波长为λon的连续激光波束，波长为λon的连续激光波束到达地面时，在地面形成λon连续激光波束光斑；λon连续激光波束光斑经地面漫反射后，形成λon漫反射回波光信号穿过大气层返回至接收望远镜3；
接收望远镜3：接收经地面漫反射后返回的λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号；λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号通过接收望远镜3聚焦在面阵探测器4上；接收望远镜3和面阵探测器4均水平放置；λon漫反射回波光信号聚焦在面阵探测器4的b点；λoff漫反射回波光信号聚焦在面阵探测器4的a点。其中，a点与λoff漫反射回波光信号在接收望远镜3输入点的连线，与b点与λon漫反射回波光信号在接收望远镜3输入点的连线的夹角为θ。
面阵探测器4：接收聚焦的λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号，并分别对λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号进行积分光电转换，生成λon电压电信号和λoff电压电信号；对λon电压电信号进行模数转换，生成λon电压数字信号Sb；对λoff电压电信号进行模数转换，生成λoff电压数字信号Sa；将λon电压数字信号Sb和λoff电压数字信号Sa发送至数据处理反演模块5；面阵探测器4采用CCD探测模块、CMOS探测模块或基于光纤面阵的探测模块。
λon电压数字信号Sb和λoff电压数字信号Sa的计算方法为：
Sa＝CaPonΔt exp(-2OD)exp(-2Nσon) (1)
式中，Ca为a点系统标定常数；
Cb为b点系统标定常数；
Pon为第二激光器2发射波长为λon的连续激光波束的发射功率；
Pon为第一激光器1发射波长为λoff的连续激光波束的发射功率；
Δt为探测器积分时间；
OD为与目标分子吸收无关的大气光学厚度；
N为痕量气体柱浓度；
σon为波长为λon的连续激光波束的吸收系数；
σoff为波长为λoff的连续激光波束的吸收系数。
数据处理反演模块5：接收λon电压数字信号Sb和λoff电压数字信号Sa；进行反演计算，得到痕量气体柱浓度N。
所述数据处理反演模块5的反演计算过程为：
将公式1除以公式2，得到：
由于θ角其引起的变化小于0.2‰，而对痕量气体测量精度最高的要求为2.5‰～7％，因此θ的影响可以忽略，得到痕量气体柱浓度N：
本发明从应用需求出发，提出使用连续激光代替脉冲激光实现对地观测，获得痕量气体柱浓度。在光-光转换过程中，连续激光没有调Q损耗，因而效率可以提高约30％，总功耗降至50％～60％；连续激光的平均输出功率需求为W级，比脉冲激光小5～6个数量级，腔体结构规模和重量有效减小；峰值功率大幅降低，损伤率下降；可以使用光纤激光器使总功耗降至30％～40％，或者使用LD激光器使总功耗降至15％～30％；连续激光输出的波长控制难度和成本可以有效降低。总之，采用连续激光探测，可以有效降低激光器的重量、体积、功耗和成本。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，其特征在于：包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、接收望远镜(3)、面阵探测器(4)和数据处理反演模块(5)；
第一激光器(1)：向地面发射波长为λoff的连续激光波束，波长为λoff的连续激光波束到达地面时，在地面形成λoff连续激光波束光斑；λoff连续激光波束光斑经地面漫反射后，生成λoff漫反射回波光信号，穿过大气层返回至接收望远镜(3)；
第二激光器(2)：与第一激光器(1)夹角为θ，同一时刻，向地面发射波长为λon的连续激光波束，波长为λon的连续激光波束到达地面时，在地面形成λon连续激光波束光斑；λon连续激光波束光斑经地面漫反射后，形成λon漫反射回波光信号穿过大气层返回至接收望远镜(3)；
接收望远镜(3)：接收经地面漫反射后返回的λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号；λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号通过接收望远镜(3)聚焦在面阵探测器(4)上；
面阵探测器(4)：接收聚焦的λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号，并分别对λon漫反射回波光信号和λoff漫反射回波光信号进行积分光电转换，生成λon电压电信号和λoff电压电信号；对λon电压电信号进行模数转换，生成λon电压数字信号Sb；对λoff电压电信号进行模数转换，生成λoff电压数字信号Sa；将λon电压数字信号Sb和λoff电压数字信号Sa发送至数据处理反演模块(5)；
数据处理反演模块(5)：接收λon电压数字信号Sb和λoff电压数字信号Sa；进行反演计算，得到痕量气体柱浓度N。
2.根据权利要求1所述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，其特征在于：所述第二激光器(2)与第一激光器(1)的夹角θ为5”-10°。
3.根据权利要求1所述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，其特征在于：所述接收望远镜(3)和面阵探测器(4)均水平放置；λon漫反射回波光信号聚焦在面阵探测器(4)的b点；λoff漫反射回波光信号聚焦在面阵探测器(4)的a点。
4.根据权利要求3所述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，其特征在于：所述a点与λoff漫反射回波光信号在接收望远镜(3)输入点的连线，与b点与λon漫反射回波光信号在接收望远镜(3)输入点的连线的夹角为θ。
5.根据权利要求4所述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，其特征在于：所述λon电压数字信号Sb和λoff电压数字信号Sa的计算方法为：
Sa＝CaPonΔtexp(-2OD)exp(-2Nσon) (1)
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式中，Ca为a点系统标定常数；
Cb为b点系统标定常数；
Pon为第二激光器(2)发射波长为λon的连续激光波束的发射功率；
Pon为第一激光器(1)发射波长为λoff的连续激光波束的发射功率；
Δt为探测器积分时间；
OD为与目标分子吸收无关的大气光学厚度；
N为痕量气体柱浓度；
σon为波长为λon的连续激光波束的吸收系数；
σoff为波长为λoff的连续激光波束的吸收系数。
6.根据权利要求1所述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，其特征在于：所述数据处理反演模块(5)的反演计算过程为：
将公式(1)除以公式(2)，得到：
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7.根据权利要求1所述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，其特征在于：所述面阵探测器(4)采用CCD探测模块、CMOS探测模块或基于光纤面阵的探测模块。
8.根据权利要求1所述的一种用于痕量气体柱浓度探测的对地观测激光雷达，其特征在于：所述激光观测雷达包括n个激光器组；每个激光器组均包括第一激光器(1)和与第一激光器(1)夹角为θ的第二激光器(2)；n为大于等于1的正整数。
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