CN110836982B - 一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法 - Google Patents

一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法，属于激光遥感技术领域。本发明通过两颗卫星构建掩星探测链路，通过发射并接收波长可调谐激光获得大气吸收光谱，以时间为基准得到发射光谱与接收光谱的定量信息，再通过反演手段计算得到大气风速廓线信息。本发明通过激光波长调谐扫描技术，解决了高空大气风速高精度高垂直分辨廓线探测问题；通过优选激光波长，可以覆盖5km以上任意高度；通过控制激光发射能量，可以有效控制和提高探测信噪比和垂直分辨率；通过激光波长调谐扫描，可以在无高精度先验条件、无高精度稳频和控制的前提下自适应的完成运动多普勒频移补偿，有效降低系统研制复杂度和成本。

Description

一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法，属于激光遥感技术领域。
背景技术
高空大气风场测量在气候、气象、环境等多个领域具有重要价值，目前通过星载激光雷达、气辉临边探测、固定波长激光掩星探测等手段已经可以实现高空大气风场卫星遥感探测。但是这些手段仍存在一定的缺陷，因而不能完全满足实际需求。
对于激光雷达，由于大气后向散射信号的限制，星载相干激光雷达的测量能力一般在0～5km，星载非相干激光雷达的测量能力一般在0～30km，星载金属离子荧光激光雷达的探测能力一般在90～110km。激光雷达技术不足在于：对于30～90km范围的风场星载激光雷达难以实现测量。
气辉、大气辐射等临边探测技术在风场探测时的高度范围可以扩展到300km。其不足在于：这类技术的垂直分辨率一般在3～10km量级，难以实现1km垂直分辨探测，且光谱设备难度较高。
国外在2004年前后提出了激光掩星大气风速测量技术，采用了双固定激光波长方案。优点是采用激光可以将垂直分辨率提高到优于1km，通过改变工作波长扩展探测高度。其主要不足是，针对不同的卫星轨道条件需要实时进行大动态多普勒频移补偿，这将大幅提高激光发射系统的研制难度、研制成本和研制周期，技术适应性有所不足。
发明内容
为解决高空大气风速廓线激光掩星探测问题，提出了基于可调谐激光的掩星大气测量方法，通过两颗卫星构建掩星探测链路，通过发射并接收波长可调谐激光获得大气吸收光谱，以时间为基准建立发射光谱与接收光谱的定量信息，再通过反演手段计算得到大气风速廓线信息。
本发明的技术解决方案是：一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统，包括激光发射机、激光接收机和数据处理模块；
激光发射机包括光谱激光器、激光鉴频器、发射计时器和发射光学系统；光谱激光器发射波长调谐激光，波长调谐激光的第一部分进入激光鉴频器，由激光鉴频器测量波长调谐激光的波长及能量，并将测得的波长及能量发送至发射计时器，由发射计时器记录发射波长及能量对应的时刻，并将发射能量和时刻数据传输给数据处理模块；波长调谐激光的第二部分进入发射光学系统，经发射光学系统后进入地球大气并最终到达激光接收机；
激光接收机包括接收光学系统、光电探测采样模块和接收计时器；接收光学系统接收波长调谐激光的第二部分，然后将第二部分发送至光电探测采样模块，由光电探测采样模块测量接收到的激光的能量，把测得的能量发送至接收计时器，并由接收计时器记录下能量到达时刻，并将接收能量和时刻数据传输给数据处理模块；
数据处理模块接收发射能量和时刻数据以及接收能量和时刻数据，计算掩星过程中光路与大气层切点高度上的风速，由不同切点高度上的风速构建风速廓线。
进一步地，所述第一部分的能量占比不大于波长调谐激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。
进一步地，所述波长调谐激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。
进一步地，所述风速为
Figure BDA0002250564710000021
其中，c为光速，Δλwi为风速导致的波长位移，λ0为接收光谱的吸收峰标准位置。
进一步地，所述{Δλwi}＝{λxi-λ0}；其中，λxi为由{Pri(λsi-Δλdi-Δλci)}得到不同切点高度处的吸收峰位置。
根据所述的一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统实现的掩星大气风速廓线测量方法，包括如下步骤：
光谱激光器发射波长调谐激光，波长调谐激光的第一部分进入激光鉴频器，由激光鉴频器测量波长调谐激光的波长及能量，并将测得的波长及能量发送至发射计时器，由发射计时器记录发射波长及能量对应的时刻，并将发射波长、能量、时刻数据传输给数据处理模块；波长调谐激光的第二部分进入发射光学系统，经发射光学系统后进入地球大气并最终到达激光接收机；
接收光学系统接收波长调谐激光的第二部分，然后将第二部分发送至光电探测采样模块，由光电探测采样模块测量接收到的激光的能量，把测得的能量发送至接收计时器，并由接收计时器记录下能量到达时刻，并将接收能量和时刻数据传输给数据处理模块；
数据处理模块接收发射波长、能量、时刻数据和接收能量和时刻数据，计算掩星过程中光路与大气层切点高度上的风速，由不同切点高度上的风速构建风速廓线。
进一步地，所述第一部分的能量占比不大于波长调谐激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。
进一步地，所述波长调谐激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。
进一步地，所述风速为
Figure BDA0002250564710000031
其中，c为光速，Δλwi为风速导致的波长漂移，λ0为接收光谱的吸收峰标准位置。
进一步地，所述{Δλwi}＝{λxi-λ0}；其中，λxi为由{Pri(λsi-Δλdi-Δλci)}得到不同切点高度处的吸收峰位置。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过激光波长调谐扫描技术，解决了高空大气风速高精度高垂直分辨廓线探测问题；
(2)本发明通过优选激光波长，可以覆盖5km以上任意高度；
(3)本发明通过控制激光发射能量，可以有效控制和提高探测信噪比和垂直分辨率；
(4)本发明通过激光波长调谐扫描，可以在无高精度先验条件、无高精度稳频和控制的前提下自适应的完成运动多普勒频移补偿，有效降低系统研制复杂度和成本。
附图说明
图1为本发明掩星大气风速廓线测量系统示意图；
图2为本发明激光传输延迟光谱校正示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统，包括激光发射机1、激光接收机2和数据处理模块3；
激光发射机1包括光谱激光器4、激光鉴频器5、发射计时器6和发射光学系统7；光谱激光器4发射波长调谐激光，波长调谐激光的第一部分进入激光鉴频器5，由激光鉴频器5测量波长调谐激光的波长及能量，并将测得的波长及能量发送至发射计时器6，由发射计时器6记录发射波长及能量对应的时刻，并将发射波长、能量、时刻数据传输给数据处理模块3；波长调谐激光的第二部分进入发射光学系统7，经发射光学系统7后进入地球大气并最终到达激光接收机2；
激光接收机2包括接收光学系统8、光电探测采样模块9和接收计时器10；接收光学系统8接收波长调谐激光的第二部分，然后将第二部分发送至光电探测采样模块9，由光电探测采样模块9测量接收到的激光的能量，把测得的能量发送至接收计时器10，并由接收计时器10记录下能量到达时刻，并将接收能量和时刻数据传输给数据处理模块3；
数据处理模块3接收发射波长、能量、时刻数据和接收能量和时刻数据，计算掩星过程中光路与大气层切点高度上的风速，由不同切点高度上的风速构建风速廓线。
风速的计算方法为：
由卫星轨道参数计算的相对运动多普勒波移数据列{Δλci}；
由卫星轨道参数结合大气模型计算的切点高度数据列{hi}；由卫星轨道参数结合大气模型计算的过各切点高度的传输路段离散长度{L(hi,hj)}，j为分层大气模型下指定切点高度时所过各高度层的序号。
光路延时校正。根据激光传输延迟时间序列{Δtdi}得到接收信号与发射光谱的对应关系，如图2所示：
{Pri(λsi-Δλdi)}；
卫星多普勒波移校正。根据卫星相对运动多普勒波移{Δλci}得到接收信号与光谱的对应关系：
{Pri(λsi-Δλdi-Δλci)}；
测量风速。根据标准光谱数据库(如HITRAN数据库)可以知道接收光谱的吸收峰标准位置λ0，而由{Pri(λsi-Δλdi-Δλci)}得到的吸收峰位置为λx，因此有频移：
{Δλwi}＝{λxi-λ0}
从而得到风速：
Figure BDA0002250564710000051
式中c为光速。
其中，光谱激光发射采样时刻数据列{tsgi}，其中t为时间，s表示光谱，g表示发射，i为数据序号；
光谱激光发射波长数据列{λsi}，其中λ表示波长；
光谱激光发射能量数据列{Psi}，其中P表示功率；
光谱激光接收时刻数据列{tri}，其中r表示接收；
光谱激光接收能量数据列{Pri}；
激光发射机1与激光接收机2光路延迟时间数据列{Δtdi}；
激光发射机1与激光接收机2光路延迟对应的波长位移数据列{Δλdi}，所述第一部分的能量占比不大于波长调谐激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。
优选地，所述波长调谐激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。
本发明的一个具体实施例。
如附图1所示，激光掩星探测系统主要由激光发射机1、激光接收机2和数据处理模块3组成。
光谱激光器4发射中心波长769.89866nm的激光，并在±0.05nm扫描范围内调谐波长进行扫描。在激光发射时，通过激光鉴频器5和发射计时器6得到不同时刻的发射波长。光谱激光器4发射的激光通过发射光学系统7进入大气。
此时可以得到：
光谱激光发射采样时刻数据列{tsgi}；
光谱激光发射波长数据列{λsi}；
光谱激光发射能量数据列{Psi}；
通过发射光学系统7进入大气的光谱激光穿过大气后到达接收光学系统8，经接收光学系统8分光滤波后到达光电探测采样模块9和接收计时器10。
结合已知的卫星轨道参数，可以得到：
由卫星轨道参数计算的相对运动多普勒波移数据列{Δλci}；
由卫星轨道参数结合大气模型计算的切点高度数据列{hi}；
由卫星轨道参数结合大气模型计算的过各切点高度的传输路段离散长度{L(hi,hj)}；
光路延时校正。根据激光传输延迟时间序列{Δtdi}得到接收信号与发射光谱的对应关系，如图2所示：
{Pri(λsi-Δλdi)}；
卫星多普勒波移校正。根据卫星相对运动多普勒波移{Δλci}得到接收信号与光谱的对应关系：
{Pri(λsi-Δλdi-Δλci)}；
测量风速。根据标准光谱数据库(如HITRAN数据库)可以知道接收光谱的吸收峰标准位置λ0，而由{Pri(λsi-Δλdi-Δλci)}得到的吸收峰位置为λx，因此有频移：
{Δλwi}＝{λxi-λ0}
从而得到风速：
Figure BDA0002250564710000071
式中c为光速。
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 (4)

1.一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统，其特征在于：包括激光发射机(1)、激光接收机(2)和数据处理模块(3)；
激光发射机(1)包括光谱激光器(4)、激光鉴频器(5)、发射计时器(6)和发射光学系统(7)；光谱激光器(4)发射波长调谐激光，波长调谐激光的第一部分进入激光鉴频器(5)，由激光鉴频器(5)测量波长调谐激光的波长及能量，并将测得的波长及能量发送至发射计时器(6)，由发射计时器(6)记录发射波长及能量对应的时刻，并将发射能量和时刻数据传输给数据处理模块(3)；波长调谐激光的第二部分进入发射光学系统(7)，经发射光学系统(7)后进入地球大气并最终到达激光接收机(2)；
激光接收机(2)包括接收光学系统(8)、光电探测采样模块(9)和接收计时器(10)；接收光学系统(8)接收波长调谐激光的第二部分，然后将第二部分发送至光电探测采样模块(9)，由光电探测采样模块(9)测量接收到的激光的能量，把测得的能量发送至接收计时器(10)，并由接收计时器(10)记录下能量到达时刻，并将接收能量和时刻数据传输给数据处理模块(3)；
数据处理模块(3)接收发射能量和时刻数据以及接收能量和时刻数据，计算掩星过程中光路与大气层切点高度上的风速，由不同切点高度上的风速构建风速廓线；
风速的计算方法为：
由卫星轨道参数计算的相对运动多普勒波移数据列{Δλci}；
由卫星轨道参数结合大气模型计算的切点高度数据列{hi}；由卫星轨道参数结合大气模型计算的过各切点高度的传输路段离散长度{L(hi,hj)}，j为分层大气模型下指定切点高度时所过各高度层的序号；
光路延时校正：根据激光传输延迟时间序列{Δtdi}得到接收信号与发射光谱的对应关系：
{Pri(λsi-Δλdi)}；
卫星多普勒波移校正：根据卫星相对运动多普勒波移{Δλci}得到接收信号与光谱的对应关系：
{Pri(λsi-Δλdi-Δλci)}；
测量风速：根据标准光谱数据库得接收光谱的吸收峰标准位置λ0，而由{Pri(λsi-Δλdi-Δλci)}得到的吸收峰位置为λx，因此有频移：
{Δλwi}＝{λxi-λ0}
从而得到风速：
Figure FDA0003293970820000021
式中c为光速；
其中，光谱激光发射采样时刻数据列{tsgi}，其中t为时间，s表示光谱，g表示发射，i为数据序号；
光谱激光发射波长数据列{λsi}，其中λ表示波长；
光谱激光发射能量数据列{Psi}，其中P表示功率；
光谱激光接收时刻数据列{tri}，其中r表示接收；
光谱激光接收能量数据列{Pri}；
激光发射机(1)与激光接收机(2)光路延迟时间数据列{Δtdi}；
激光发射机(1)与激光接收机(2)光路延迟对应的波长位移数据列{Δλdi}，所述第一部分的能量占比不大于波长调谐激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。
2.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统，其特征在于：所述波长调谐激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。
3.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统实现的掩星大气风速廓线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
光谱激光器(4)发射波长调谐激光，波长调谐激光的第一部分进入激光鉴频器(5)，由激光鉴频器(5)测量波长调谐激光的波长及能量，并将测得的波长及能量发送至发射计时器(6)，由发射计时器(6)记录发射波长及能量对应的时刻，并将发射波长、能量、时刻数据传输给数据处理模块(3)；波长调谐激光的第二部分进入发射光学系统(7)，经发射光学系统(7)后进入地球大气并最终到达激光接收机(2)；
接收光学系统(8)接收波长调谐激光的第二部分，然后将第二部分发送至光电探测采样模块(9)，由光电探测采样模块(9)测量接收到的激光的能量，把测得的能量发送至接收计时器(10)，并由接收计时器(10)记录下能量到达时刻，并将接收能量和时刻数据传输给数据处理模块(3)；
数据处理模块(3)接收发射波长、能量、时刻数据和接收能量和时刻数据，计算掩星过程中光路与大气层切点高度上的风速，由不同切点高度上的风速构建风速廓线。
4.根据权利要求3所述的掩星大气风速廓线测量方法，其特征在于：所述波长调谐激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。
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