CN109632704A - 基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置 - Google Patents

基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置 Download PDF

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Abstract

一种基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置，利用超连续谱激光源产生可覆盖多种大气成分特征吸收谱线的中红外超连续谱激光信号，以掩星激光探测和外差接收的方式对大气中多种气体成分的浓度进行测量；包括功率稳定电路、超连续谱激光光源、第一分束器、能量监测模块、光学发射天线、光学接收天线、光纤开关、第二分束器、频率控制电路、本振激光器阵列、合束器阵列、光电探测器阵列、射频接收机阵列、锁相放大器阵列、数据处理模块；该装置在全球气候与环境变化、大气化学等研究领域具有广阔应用前景。

Description

基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置
技术领域
本发明涉及一种基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置，具体涉及一种利用超连续谱激光信号和激光外差探测方式同时测量多种大气成分浓度的激光掩星设备，属于大气遥感探测技术领域。
背景技术
采用临边探测方式的掩星技术是获得大气参量廓线的有效手段，在大气热力学参量探测、温室气体浓度探测中具有重要的应用价值，对全球气候变换研究和环境监测意义重大。
已有的无线电掩星技术以无线电信号为载体，实现了对大气热力学参量(温度、湿度、压强)垂直剖面的高精度测量，如GNSSRO技术的数据产品已广泛应用于数值天气预报和全球气候监测。但是由于气体分子对无线电信号的吸收十分微弱，无线电掩星技术无法对大气成分如二氧化碳、甲烷等进行有效测量。
已有的掩日/月掩星技术通过测量日/月出或日/月落时太阳/月亮的大气透射光谱辐射，获得大气的吸收光谱，根据不同气体分子的特征吸收谱线反演出各大气成分的含量。掩日/月观测方式可同时对多种大气成分垂直剖面进行高垂直分辨的测量，但是由于受地球绕日运行规律限制，掩日/月掩星技术探测的空间覆盖范围有限。
发明内容
为解决现有无线电掩星技术无法测量大气中气体的成分和浓度和掩日/月掩星技术空间覆盖范围有限的问题，本发明提出一种基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置。
本发明采用以下技术方案：
一种基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置，其特点在于：包括功率稳定电路、超连续谱光源、第一分束器、能量监测模块、光学发射天线、光学接收天线、光纤开关、第二分束器、频率控制电路、本振激光器阵列、合束器阵列、光电探测器阵列、射频接收机阵列、锁相放大器阵列和数据处理模块；所述功率稳定电路与超连续谱激光光源电连接，所述频率控制电路与本振激光器阵列电连接，所述光电探测器阵列、射频接收机阵列、锁相放大器阵列和数据处理模块依次电连接；
所述超连续谱激光光源所产生的超连续谱激光信号经第一分束器分为两路，一路通过能量监测模块对发射信号的能量抖动实时监测，另外一路经光学发射天线发射出去，穿过大气层；
经大气分子吸收后的激光信号被所述光学接收天线接收并耦合进光纤，由所述光纤开关对接收到的信号光进行光学斩波，之后经所述的第二分束器分为N路信号光；
N路信号光分别与所述本振激光器阵列发射的N束单频激光通过所述合束器阵列混频后入射到所述光电探测器阵列，所述射频接收机阵列对所述光电探测器阵列输出的N路电信号进行隔直、低通滤波和放大；所述的锁相放大器阵列以所述的光纤开关的调制信号作为参考信号，分别提取N路电信号的强度；所述数据处理模块对N路信号进行处理。
所述超连续谱光源为全光纤结构的中红外超连续谱激光光源，输出光谱覆盖1-5μm范围。
所述光纤开关为具有斩波功能的光纤型器件，用于对接收到的信号光进行强度调制，调制信号作为锁相放大器阵列的参考信号。
所述本振激光器阵列由N个可调谐量子级联激光器组合，各激光器中心波长分别位于不同目标大气成分特征吸收谱线位置。
所述的合束器阵列、光电探测器阵列、射频接收机阵列、锁相放大器阵列分别由N个相同的1：1合束器、光电探测器、射频接收机和锁相放大器组成，对信号光进行外差探测。
本发明的优点在于：
1、本发明采用全光纤结构的中红外超连续谱激光源作为探测光源，具有光路稳定性好、调谐方便的优点，并且其输出光谱可覆盖众多气体分子在中红外波段的特征吸收谱线，可同时对多种大气成分如CO2、CH4、H2O等进行垂直分辨探测，并可以用于测量大气视线风速。
2、本发明在接收端采用了激光外差光谱探测的方式，具有光谱分辨率高、灵敏度高的优点，可以满足掩星组网远距离大气探测的要求。
附图说明
图1为本发明基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置的结构框图。
图中：1——功率稳定电路，2——超连续谱激光光源，3——第一分束器，4——能量监测模块，5——光学发射天线，6——光学接收天线，7——光纤开关，8——第二分束器，9——频率控制电路，10——本振激光器阵列，11——合束器阵列，12——光电探测器阵列，13——射频接收机阵列，14——锁相放大器阵列，15——数据处理模块。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图1，图1是本发明的基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置的结构框图，由图可见，本发明基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置包括功率稳定电路1、超连续谱激光光源2、第一分束器3、能量监测模块4、光学发射天线5、光学接收天线6、光纤开关7、第二分束器8、频率控制电路9、本振激光器阵列10、合束器阵列11、光电探测器阵列12、射频接收机阵列13、锁相放大器阵列14、数据处理模块15。上述元器件的连接关系如下：
所述功率稳定电路1与超连续谱激光光源2电连接，所述频率控制电路9与本振激光器阵列10电连接，所述光电探测器阵列12、射频接收机阵列13、锁相放大器阵列14和数据处理模块15依次电连接；所述超连续谱激光光源2所产生的超连续谱激光信号经第一分束器3分为两路，一路通过能量监测模块4对发射信号的能量抖动实时监测，另外一路经光学发射天线5发射出去，穿过大气层；经大气分子吸收后的激光信号被所述光学接收天线6接收并耦合进光纤，由所述光纤开关7对接收到的信号光进行光学斩波，之后经所述的第二分束器8分为N路信号光；N路信号光分别与所述本振激光器阵列10发射的单频激光通过所述合束器阵列11混频后入射到所述光电探测器阵列12，所述射频接收机阵列13对所述光电探测器阵列12输出的N路电信号进行隔直、低通滤波和放大；所述的锁相放大器阵列14以所述的光纤开关7的调制信号作为参考信号，分别提取N路电信号的强度；所述数据处理模块15对N路信号进行处理。
下面是一个实例采用的主要器件的参数：
所述超连续谱光源2输出光谱范围为1.9μm-3.5μm的中红外超连续谱激光，可覆盖CO2、H2O、CH4、CO等多种气体在2μm附近的特征吸收谱线。
所述光纤开关7调制频率为1kHz，对接收到的超连续谱信号进行斩波。
所述本振激光器阵列10输出波长为2.09572μm、2.09637μm、2.30194μm、2.31325μm的本振激光，分别对应CO2的吸收通道、CO2参考通道和CH4的吸收通道、CH4参考通道。
利用上述器件和结构进行CO2和CH4气体浓度探测的过程如下：
①所述的超连续谱光源2产生1.9μm-3.5μm的中红外超连续谱激光，经第一分束器3分为两路，一路到达能量监测模块4，对发射信号的能量抖动进行实时监测，另外一路经光学发射天线5发射出去。在激光信号穿过大气层的过程中受到多种大气成分的吸收。
②所述光学接收天线6接收经大气成分吸收之后的信号光，并耦合进后续光纤光路中。光纤开关7以1kHz的频率对接收到的信号光进行光学斩波，之后经第二分束器8分为四路之后，分别与本振激光器阵列10输出波长为2.09572μm、2.09637μm、2.30194μm、2.31325μm的本振激光进行混频，被相应的光电探测器探测。射频接收机阵列13对光电探测器输出的电信号进行隔直、低通滤波处理，再由锁相放大器阵列14以光纤开关7的调制信号作为参考信号，提取出接收信号光在2.09572μm、2.09637μm、2.30194μm、2.31325μm附近的谱强度信息。数据处理模块15利用差分吸收的原理对四个通道的数据进行处理，从而反演出CO2和CH4气体的浓度信息，结合掩星工作模式，获取不同高度处的CO2和CH4气体浓度。

Claims (5)

1.基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置，其特征在于：包括功率稳定电路(1)、超连续谱光源(2)、第一分束器(3)、能量监测模块(4)、光学发射天线(5)、光学接收天线(6)、光纤开关(7)、第二分束器(8)、频率控制电路(9)、本振激光器阵列(10)、合束器阵列(11)、光电探测器阵列(12)、射频接收机阵列(13)、锁相放大器阵列(14)和数据处理模块(15)；所述功率稳定电路(1)与超连续谱激光光源(2)电连接，所述频率控制电路(9)与本振激光器阵列(10)电连接，所述光电探测器阵列(12)、射频接收机阵列(13)、锁相放大器阵列(14)和数据处理模块(15)依次电连接；
所述超连续谱激光光源(2)所产生的超连续谱激光信号经第一分束器(3)分为两路，一路通过能量监测模块(4)对发射信号的能量抖动实时监测，另外一路经光学发射天线(5)发射出去，穿过大气层；
经大气分子吸收后的激光信号被所述光学接收天线(6)接收并耦合进光纤，由所述光纤开关(7)对接收到的信号光进行光学斩波，之后经所述的第二分束器(8)分为N路信号光；
N路信号光分别与所述本振激光器阵列(10)发射的单频激光通过所述合束器阵列(11)混频后入射到所述光电探测器阵列(12)，所述射频接收机阵列(13)对所述光电探测器阵列(12)输出的N路电信号进行隔直、低通滤波和放大；所述的锁相放大器阵列(14)以所述的光纤开关(7)的调制信号作为参考信号，分别提取N路电信号的强度；所述数据处理模块(15)对N路信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置，其特征在于所述超连续谱光源(2)为全光纤结构的中红外超连续谱激光光源，输出光谱覆盖1-5μm范围。
3.根据权利要求1所述的基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置，其特征在于所述光纤开关(7)为具有斩波功能的光纤型器件，用于对接收到的信号光进行强度调制，调制信号作为锁相放大器阵列(14)的参考信号。
4.根据权利要求1所述的基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置，其特征在于所述本振激光器阵列(10)由N个可调谐量子级联激光器组合，各激光器中心波长分别位于不同目标大气成分特征吸收谱线位置。
5.根据权利要求1所述的基于超连续光源的大气多成分激光掩星探测装置，其特征在于所述的合束器阵列(11)、光电探测器阵列(12)、射频接收机阵列(13)、锁相放大器阵列(14)分别由N个相同的1：1合束器、光电探测器、射频接收机和锁相放大器组成，对信号光进行外差探测。
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