CN110849769B - 一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统及方法，属于激光遥感技术领域。本发明通过发射并接收波长可调谐激光获得大气光谱吸收峰，再通过反演手段计算得到大气分子密度信息。可用于高空痕量气体高精度高分辨密度廓线探测，可有效适应卫星多普勒频移干扰；通过优选激光波长，可以覆盖5km以上任意高度，相对于被动掩星探测技术，通过卫星构建探测网络可以控制观测时间和空间覆盖。

Description

一种基于可调谐激光的掩星大气密度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密度廓线测量系统及方法，属于激光遥感技术领域。
背景技术
大气成分密度的垂直分布称为该大气成分密度廓线，大气密度廓线一般指大气成分密度总和的垂直分布。大气密度廓线和大气成分密度廓线是气象、气候、环境等应用中重要的测量目标。
目前针对大气密度廓线测量的星载遥感技术主要有GPS掩星技术、临边大气探测技术、对地光谱仪技术、固定波长激光掩星技术等。
GPS掩星技术主要用于50km以下大气密度廓线探测，其不足在于只能测量总密度和水汽密度廓线，50km以上中性大气及其它痕量气体成分难以测量；
临边大气探测技术可以获得多种大气成分的垂直分布，但其受到光谱分辨率和信噪比限制，且受到背景干扰影响，在垂直分辨率和精度方面有较大不足；
固定波长激光掩星技术理论上可以解决全高程多种大气成分密度廓线测量问题，但需要进行高稳定性波长控制，且在实际观测中需要根据轨道条件实时进行高精度高可靠的波长偏置，复杂度和成本较高，适应性有较大不足。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统及方法，通过发射并接收波长可调谐激光获得大气光谱吸收峰，再通过反演手段计算得到大气分子密度信息。
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密度廓线测量系统，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、能量监测器、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能量监测器，由能量监测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密度，由不同切点高度上的密度构建密度廓线。
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，其特征在于：所述密度为
Figure RE-GDA0002366608500000021
其中， {L(hi,hj)}为过各切点高度的传输路径离散长度，Ns(hi)为由背景库给出的高度层hi处的初始分子数密度，Δσ(hi)为高度层hi处的分子吸收截面，
Figure RE-GDA0002366608500000022
为吸收峰透过率，i为切点高度层序号，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，Q为激光传输路径经过的大气层数。
进一步地，吸收峰波长能量Pon根据吸收波谷λ0位置得到，参考波长能量Poff由吸收波谷λoff位置得到，λoff为吸收峰附近的非吸收波长，其吸收截面比吸收峰小2个数量级以上。
根据所述的一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统实现的掩星大气密度廓线测量方法，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能量监测器，由能量监测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；
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密度，由不同切点高度上的密度构建密度廓线。
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，所述密度为
Figure RE-GDA0002366608500000031
其中， {L(hi,hj)}为过各切点高度的传输路段离散长度，Ns(hi)为由背景库给出的高度层hi处的初始分子数密度，Δσ(hi)为高度层hi处的分子吸收截面，
Figure RE-GDA0002366608500000032
为吸收峰透过率，i为切点高度层序号，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，Q为激光传输路径经过的大气层数。
进一步地，吸收峰波长能量Pon根据吸收波谷λ0位置得到，参考波长能量 Poff由吸收波谷λoff位置得到，λoff为吸收峰阈值范围的非吸收波长，其吸收截面比吸收峰小2个数量级以上；所述阈值范围为小于波长的0.5％。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可用于高空痕量气体高精度高分辨密度廓线探测；
(2)本发明可有效适应卫星多普勒频移干扰；
(3)本发明通过优选激光波长，可以覆盖5km以上任意高度；
(4)本发明提供的光谱分辨率远超传统光谱仪技术，有利提高精度；
(5)本发明通过控制激光发射和接收参数，有效提高探测信噪比和垂直分辨率；
(6)本发明相对于被动掩星探测技术，通过卫星构建探测网络可以控制观测时间和空间覆盖。
附图说明
图1为本发明掩星大气密度廓线测量系统示意图；
图2为本发明激光发射和接收能量波形示意图；
图3为本发明差分吸收原理示意图；
图4(a)、(b)为本发明吸收峰位置示意图。
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密度廓线测量系统，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、能量监测器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能量监测器5，由能量监测器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密度，由不同切点高度上的密度构建密度廓线。
计算密度的方法为：
确定光谱吸收峰波长位置。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，在压力频移可忽略的条件下λ0为恒定值。则由光谱激光接收能量数据列与时间序列组成的能量-时间波形{Pr(h,tr)} 的波谷中心即为λ0的位置。其中P为接收功率，下标r表示接收，h为切点高度，t为时刻。
如图3，计算吸收峰值透过率。根据吸收波谷λ0位置得到吸收峰波长能量 Pon，在吸收波谷边缘吸收极小甚至可以忽略的λoff位置得到参考波长能量 Poff，从而得到吸收峰透过率：
Figure BDA0002250569790000051
测量密度。在背景气压和温度下根据标准光谱数据库(如HITRAN数据库) 可知各高度处λ0的吸收截面σ(h,λ0)。由{Pr(h,tr)}可以选取吸收工作波长λon 和参考波长λoff(如图2所示)以及它们的吸收截面差Δσ(h)(认为λoff处吸收可忽略)，由差分吸收公式可得各高度层的数密度：
Figure RE-GDA0002366608500000061
式中Q为指定切点高度时激光传输路径经过的大气层数，s表示由背景数据库输入的初始密度。
其中，N为分子数密度，h为切点高度，i为切点高度数据列索引序号，Q 为切点高度hi以上总大气分层数，j为切点高度hi以上大气分层数据列索引序号，L(hi,hj)为切点高度hi以上大气分层高度hj的线段长度，角标s表示由背景库得到的初始大气分子数密度。
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}；
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。
优选地，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。
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。
本发明的一个优选实施例。
如图1所示，一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统，包括激光发射机1、激光接收机2和数据处理模块3；
其中，激光发射机1向大气中发射938.9599nm波长的单频激光，其线宽为2MHz，扫描波长范围为±100pm。该激光经过大气到达激光接收机2后，可以得到由光谱激光接收能量数据列与时间序列组成的能量-时间波形{Pri(tri)}。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密度，由不同切点高度上的密度构建密度廓线。
计算密度的方法为：
确定光谱吸收峰波长位置。如图4(a)，根据标准光谱数据库(如HITRAN 数据库)可以获得理论光谱。如图4(b)，为20km切点高度层的激光接收能量时序波形{Pri(tri)}，由激光接收能量时序，可以得到实测光谱。在图4(b)中的时刻A和时刻B，对应着光谱中的A＇和B＇。根据需要，选择图4(a)中A＇点为吸收峰位置，其对应的波长为λ0，在压力频移可忽略的条件下λ0为恒定值。则图4(b)中A点为吸收峰位置，对应波长λ0。
如图3，计算吸收峰值透过率。根据吸收波谷λ0位置得到吸收峰波长能量 Pon，在吸收波谷边缘吸收极小甚至可以忽略的λoff位置得到参考波长能量 Poff，从而得到吸收峰透过率：
Figure BDA0002250569790000071
测量密度。在背景气压和温度下根据标准光谱数据库(如HITRAN数据库) 可知各高度处λ0的吸收截面σi(λ)，而由{Pri(tri)}可以取吸收工作波长λon和参考波长λoff(如图2所示)以及它们的吸收截面差Δσi(λ)(认为λoff处吸收可忽略)，由差分吸收公式可得各高度层的数密度：
Figure RE-GDA0002366608500000072
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)

1.一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统，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)、能量监测器(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能量监测器(5)，由能量监测器(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密度，由不同切点高度上的密度构建密度廓线；
所述密度为
Figure FDA0003627705410000011
其中，{L(hi,hj)}为过各切点高度的传输路径离散长度，Ns(hi)为由背景库给出的高度层hi处的初始分子数密度，Δσ(hi)为高度层hi处的分子吸收截面，
Figure FDA0003627705410000012
为吸收峰透过率，i为切点高度层序号，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，Q为激光传输路径经过的大气层数。
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密度廓线测量系统，其特征在于：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。
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密度廓线测量系统，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。
4.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统，其特征在于：吸收峰波长能量Pon根据吸收波谷λ0位置得到，参考波长能量Poff由吸收波谷λoff位置得到，λoff为吸收峰附近的非吸收波长，其吸收截面比吸收峰小2个数量级以上。
5.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统实现的掩星大气密度廓线测量方法，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能量监测器(5)，由能量监测器(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)；
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密度，由不同切点高度上的密度构建密度廓线；
所述密度为
Figure FDA0003627705410000031
其中，{L(hi,hj)}为过各切点高度的传输路段离散长度，Ns(hi)为由背景库给出的高度层hi处的初始分子数密度，Δσ(hi)为高度层hi处的分子吸收截面，
Figure FDA0003627705410000032
为吸收峰透过率，i为切点高度层序号，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，Q为激光传输路径经过的大气层数。
6.根据权利要求5所述的掩星大气密度廓线测量方法，其特征在于：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。
7.根据权利要求5所述的掩星大气密度廓线测量方法，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。
8.根据权利要求5所述的掩星大气密度廓线测量方法，其特征在于：吸收峰波长能量Pon根据吸收波谷λ0位置得到，参考波长能量Poff由吸收波谷λoff位置得到，λoff为吸收峰阈值范围的非吸收波长，其吸收截面比吸收峰小2个数量级以上；所述阈值范围为小于波长的0.5％。
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