CN111562236A - 同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置及方法。装置由宽带光源(1)、带通孔抛物镜(2)、模拟气体吸收池(3)、模拟气体温控器(4)和模拟风速转轮(5)构成的大气风速、温度模拟部件，激光控制器(7)、窄线宽激光器(6)、分束器(8)和合束器(9)构成的激光外差部件，参考气体吸收池(11)、参考气体温控器(12)、光电探测器(13)、平方律响应探测器(10)、带通滤波器(14)、肖特基二极管(15)和数据采集处理器(16)构成的光谱采集处理部件组成；方法使用激光与非相干光外差法得参考和信号光谱，由其频差得风速、风向信息，相邻两根吸收谱线的强度比得吸收池温度，调节池温度得定标关系曲线。

Description

同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置及 方法
技术领域
本发明涉及一种星载激光外差系统地面模拟装置及方法，尤其是一种同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置及方法。
背景技术
大气风场、温度场是理解大气动力学行为、热力学性质和成分结构的关键参数，其状态及时空特性对气候变化、飞行器的发射、运行、管控、着陆以及军事打击等至关重要。大气风场、温度场的信息对提升大气和空间研究能力、航天活动安全保障服务、空间气象预报水平、改进全球气候预测能力等方面具有重要的应用价值。
目前，人们为了测量大气风场、温度场，作了一些有益的尝试和努力，Fabry-Perot干涉仪、Michelson干涉仪、Doppler差分干涉仪等相继被用于大气参数的探测中，激光外差光谱技术因其分辨率高、灵敏度高、体积小等优势也受到了广泛的关注。如美国专利说明书US 10422868 B2于2019年9月24日公告的一种空气压力、温度和风速的光学外差检测装置及方法。该专利说明书中提及的检测装置使用两束相干光的方式进行探测，双频激光器的一个频率用作参考光束、另一个频率作为信号光束传输到特定的空气中，并在空气体积中散射和反射，参考光束和接收到的散射信号光束在光电探测器上混合，用于拍频特性的频谱测量；检测方法采用瑞利-布里渊散射线(RBS)的谱线线型以及中心频率的频移的方法来遥感监测大气气压、温度和风速。这种检测装置及方法虽可测量空气压力、温度和风速，却也存在着不足之处，首先，不是直接测量上层大气的辉光、极光等宽带光的信息；其次，由于测定的光谱宽度取决于温度和压力，从而导致检测结果具有相当大的误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，为星载高精度探测大气风场和温度场提供一种有效的技术手段和基本的检测保障的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为，同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置包括激光外差部件和与其连接的光谱采集处理部件，特别是：
所述地面模拟装置还置有与激光外差部件连接的大气风速、温度模拟部件；
所述大气风速、温度模拟部件为宽带光源及其输出光路上依次置有的带通孔抛物镜、模拟气体吸收池和模拟风速转轮，其中，位于带通孔抛物镜背面的宽带光源的输出光路处于通孔中，模拟气体吸收池附有模拟气体温控器，以获得途经模拟气体吸收池和带通孔抛物镜的模拟风速转轮的携带大气分子吸收信息的后向散射光；
所述激光外差部件为输入端与激光控制器电连接的窄线宽激光器，以及其输出光路上依次置有的分束器和合束器，其中，合束器的另一输入端位于后向散射光的输出光路上，用于将本振窄线宽激光与后向散射光进行混频，以获得外差光；
所述光谱采集处理部件由输出端与激光控制器电连接、输入端分别与分束器另一输出光路上置有的带参考气体温控器的参考气体吸收池输出光路上的光电探测器和串接的平方律响应探测器、带通滤波器及肖特基二极管电连接的数据采集处理器组成，其中，参考气体吸收池内置与模拟气体吸收池相同的气体，平方律响应探测器位于合束器的输出光路上，用于由数据采集处理器根据光电探测器获取的参考光谱和平方律响应探测器获取的信号光谱的频率差来获得风速、风向信息，以及根据模拟气体吸收池中气体分子的相邻两根吸收谱线的强度比来获得该吸收池内气体的温度，以通过调节模拟气体吸收池的温度，得到气体分子相邻两根吸收谱线强度比值与温度之间的定标关系曲线。
作为同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置的进一步改进：
优选地，宽带光源为超辐射发光二极管(SLED)光源，或光纤放大器，或放大自发辐射(ASE)光源，或发光二极管(LED)光源，或超连续(SC)光源。
优选地，模拟气体吸收池和参考气体吸收池中的气体均为氧气体，或二氧化碳气体，或水汽气体。
优选地，模拟风速转轮的边缘位于带通孔抛物镜的焦点处。
优选地，后向散射光的光强与大气辉光的光强相同或相近。
优选地，窄线宽激光器为红外分布反馈式(DFB)激光器，或量子级联(QCL)激光器，或带间级联(ICL)激光器。
优选地，分束器进入合束器的透射光与进入参考气体吸收池的反射光的分束百分比例为80-99％：1-20％。
优选地，合束器的另一输入端位于后向散射光的焦点处。
优选地，平方律响应探测器为碲镉汞(Hg1-xCdxTe)光电探测器，或碲锡铅(Pb1- xSnxTe)光电探测器，或铟镓砷光电探测器。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为，同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟方法包括使用激光与非相干光外差法获得外差光，由混频光谱反演出风速、风向和温度，特别是完成步骤如下：
使用来回穿越模拟气体吸收池的非相干光获得与大气辉光强度相同或相近的携带大气分子吸收信息的信号光；
使用激光与信号光混频，获得外差光，同时由穿越内置与模拟气体吸收池同种气体的参考气体吸收池的激光获得参考光；
分别将外差光转化为信号光谱、参考光转化为参考光谱；
由参考光谱和信号光谱的频率差获得风速、风向信息，并由模拟气体吸收池中气体分子的相邻两根吸收谱线的强度比获得该吸收池内气体的温度；
调节模拟气体吸收池的温度，得到气体分子相邻两根吸收谱线强度比值与温度之间的定标关系曲线。
相对于现有技术的有益效果是：
采用这样的结构后，本发明既真实地模拟出了携带分子吸收信息的大气辉光信号；又对其进行了激光外差放大，破解了对星空中微弱信号的不失真采集难题；还利用参考光谱和信号光谱的频率差以及模拟气体吸收池中气体分子的相邻两根吸收谱线强度比实现了风速、风向和温度在单台激光外差测量系统中的同时探测；更有着探测灵敏度高、光谱分辨率高，体积小、重量轻的优点；从而为进一步发展卫星载荷高精度探测大气风场和温度场提供了有效的技术手段和基本的检测保障。
本发明中激光外差放大的原理为：
将携带分子吸收信息的大气辉光(信号光)与几毫瓦的本振激光(参考光)在非线性探测器上进行混频探测。探测器是对光场中电场部分的探测，即光电探测器输出的光电流正比于电场的平方。当两个完全准直的振幅为AS和ALO、频率为ωS和ωLO的平面波照射在探测器上，由探测器探测到两个波的合成强度为：
Figure BDA0002502631930000031
式中，ES＝AScos(ωst)，ELO＝ALOcos(ωLOt+φ)。
如果探测器能够对频率ωIF＝ωLO-ωS响应，那么探测器响应的振幅正比于
Figure BDA0002502631930000032
探测器的输出电流为
Figure BDA0002502631930000033
式中，iIF＝kASALOcos(ωLO-ωS)t。
探测器的电输出功率为：
Figure BDA0002502631930000034
中频信号PIF正比于本振激光功率和信号光功率的乘积PSPLO，由于本振激光功率远大于收集到的地球大气辉光的功率，即PLO>>PS，由此可见外差探测可以将携带分子吸收信息的弱信号光进行放大，提高检测的信噪比。
基于以上所述，本发明于真实地模拟携带分子吸收信息的大气辉光信号和对该信号进行激光外差放大的基础之上，精确地给出了气体分子相邻两根吸收谱线强度比值与温度之间的定标关系曲线。
附图说明
图1是本发明的一种基本结构示意图。
图2是本发明双线测风、测温的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
参见图1和图2，同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置的构成如下：
大气风速、温度模拟部件、激光外差部件和光谱采集处理部件的连接组成了本装置，其中：
大气风速、温度模拟部件为宽带光源1及其输出光路上依次置有的带通孔抛物镜2、模拟气体吸收池3和模拟风速转轮5；其中，位于带通孔抛物镜2背面的宽带光源1的输出光路处于通孔中，模拟气体吸收池3附有模拟气体温控器4，模拟风速转轮5的边缘位于带通孔抛物镜2的焦点处，模拟风速转轮5的后向散射光的光强与大气辉光的光强相同(也可为相近)。前述的宽带光源1为超辐射发光二极管光源(也可为光纤放大器，或放大自发辐射光源，或发光二极管光源，或超连续光源)，模拟气体吸收池3中的气体为氧气体(也可为二氧化碳气体，或水汽气体)。
激光外差部件为输入端与激光控制器7电连接的窄线宽激光器6，以及其输出光路上依次置有的分束器8和合束器9；其中，分束器8进入合束器9的透射光与进入参考气体吸收池11的反射光的分束百分比例为90％：10％(也可为80-99％：1-20％)，合束器9的另一输入端位于后向散射光的输出光路上，且位于后向散射光的焦点处。前述的窄线宽激光器6为红外分布反馈式激光器(也可为量子级联激光器，或带间级联激光器)。
光谱采集处理部件由输出端与激光控制器7电连接、输入端分别与分束器8另一输出光路上置有的带参考气体温控器12的参考气体吸收池11输出光路上的光电探测器13和串接的平方律响应探测器10、带通滤波器14及肖特基二极管15电连接的数据采集处理器16组成；其中，参考气体吸收池11内置与模拟气体吸收池3相同的气体，平方律响应探测器10位于合束器9的输出光路上。前述的参考气体吸收池11中的气体同为氧气体(也可同为二氧化碳气体，或同为水汽气体)，平方律响应探测器10为碲镉汞光电探测器(也可为碲锡铅光电探测器，或铟镓砷光电探测器)。
定标(方法实行)时，通过模拟气体温控器4和参考气体温控器12分别预设模拟气体吸收池3、参考气体吸收池11的温度，以及选定模拟风速转轮5的转速和转向后，设置注入的电流控制宽带光源1的输出功率至后向散射光的光强与大气辉光的光强相同。
宽带光源1输出的光束依次通过带通孔抛物镜2的通孔和模拟气体吸收池3，照射于模拟风速转轮5的边缘，经其散射后，后向散射光再次通过模拟气体吸收池3，并由带通孔抛物镜2汇聚至合束器9，以由来回穿越模拟气体吸收池3的非相干光获得与大气辉光强度相同或相近的携带大气分子吸收信息的信号光。
在激光控制器7的控制下，窄线宽激光器6输出的激光束首先进入分束器8，由分束器8将其分为两束光，其中的10％的反射光进入参考气体吸收池11、90％的透射光进入合束器9，以与合束器9另一输入端进入的信号光于合束器9上进行混频，获得外差光。
外差光经平方律响应探测器10探测、带通滤波器14滤波、肖特基二极管15将其转换成电压信号后，由数据采集处理器16转化为如图2中所示的带有风速、风向和温度的气体吸收信号——信号光谱。10％的反射光通过参考气体吸收池11后成为参考光，并由光电探测器13探测，再经数据采集处理器16将其转化为如图2中所示的参考光路吸收光谱信号——参考光谱。
数据采集处理器16对参考光谱与信号光谱的谱峰位置和强度进行比较：
由参考光谱与信号光谱的吸收峰的位移量Δv得到风速的信息，频移方向的正负值代表了模拟风速转轮5的旋转方向——风向的信息；
气体分子相邻的两个吸收峰强度分别为P1和P2，根据信号光谱相邻的两个吸收峰强度P1、P2的比值P1/P2，得到模拟气体吸收池内气体的温度——大气温度。
调节模拟气体吸收池的温度，得到气体吸收分子相邻两吸收峰强度比值P1/P2与温度之间的定标关系曲线。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置及方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置，包括激光外差部件和与其连接的光谱采集处理部件，其特征在于：
所述地面模拟装置还置有与激光外差部件连接的大气风速、温度模拟部件；
所述大气风速、温度模拟部件为宽带光源(1)及其输出光路上依次置有的带通孔抛物镜(2)、模拟气体吸收池(3)和模拟风速转轮(5)，其中，位于带通孔抛物镜(2)背面的宽带光源(1)的输出光路处于通孔中，模拟气体吸收池(3)附有模拟气体温控器(4)，以获得途经模拟气体吸收池(3)和带通孔抛物镜(2)的模拟风速转轮(5)的携带大气分子吸收信息的后向散射光；
所述激光外差部件为输入端与激光控制器(7)电连接的窄线宽激光器(6)，以及其输出光路上依次置有的分束器(8)和合束器(9)，其中，合束器(9)的另一输入端位于后向散射光的输出光路上，用于将本振窄线宽激光与后向散射光进行混频，以获得外差光；
所述光谱采集处理部件由输出端与激光控制器(7)电连接、输入端分别与分束器(8)另一输出光路上置有的带参考气体温控器(12)的参考气体吸收池(11)输出光路上的光电探测器(13)和串接的平方律响应探测器(10)、带通滤波器(14)及肖特基二极管(15)电连接的数据采集处理器(16)组成，其中，参考气体吸收池(11)内置与模拟气体吸收池(3)相同的气体，平方律响应探测器(10)位于合束器(9)的输出光路上，用于由数据采集处理器(16)根据光电探测器(13)获取的参考光谱和平方律响应探测器(10)获取的信号光谱的频率差来获得风速、风向信息，以及根据模拟气体吸收池中气体分子的相邻两根吸收谱线的强度比来获得该吸收池内气体的温度，以通过调节模拟气体吸收池的温度，得到气体分子相邻两根吸收谱线强度比值与温度之间的定标关系曲线。
2.根据权利要求1所述的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置，其特征是宽带光源(1)为超辐射发光二极管光源，或光纤放大器，或放大自发辐射光源，或发光二极管光源，或超连续光源。
3.根据权利要求1所述的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置，其特征是模拟气体吸收池(3)和参考气体吸收池(11)中的气体均为氧气体，或二氧化碳气体，或水汽气体。
4.根据权利要求1所述的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置，其特征是模拟风速转轮(5)的边缘位于带通孔抛物镜(2)的焦点处。
5.根据权利要求1所述的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置，其特征是后向散射光的光强与大气辉光的光强相同或相近。
6.根据权利要求1所述的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置，其特征是窄线宽激光器(6)为红外分布反馈式激光器，或量子级联激光器，或带间级联激光器。
7.根据权利要求1所述的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置，其特征是分束器(8)进入合束器(9)的透射光与进入参考气体吸收池(11)的反射光的分束百分比例为80-99％：1-20％。
8.根据权利要求1所述的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置，其特征是合束器(9)的另一输入端位于后向散射光的焦点处。
9.根据权利要求1所述的同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟装置，其特征是平方律响应探测器(10)为碲镉汞光电探测器，或碲锡铅光电探测器，或铟镓砷光电探测器。
10.一种同时测量大气多参数的星载激光外差系统地面模拟方法，包括使用激光与非相干光外差法获得外差光，由混频光谱反演出风速、风向和温度，其特征在于完成步骤如下：
使用来回穿越模拟气体吸收池的非相干光获得与大气辉光强度相同或相近的携带大气分子吸收信息的信号光；
使用激光与信号光混频，获得外差光，同时由穿越内置与模拟气体吸收池同种气体的参考气体吸收池的激光获得参考光；
分别将外差光转化为信号光谱、参考光转化为参考光谱；
由参考光谱和信号光谱的频率差获得风速、风向信息，并由模拟气体吸收池中气体分子的相邻两根吸收谱线的强度比获得该吸收池内气体的温度；
调节模拟气体吸收池的温度，得到气体分子相邻两根吸收谱线强度比值与温度之间的定标关系曲线。
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