CN115508864B - 一种e-f区风温密金属离子探测激光雷达及其探测方法 - Google Patents

一种e-f区风温密金属离子探测激光雷达及其探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于金属离子多普勒机制的E‑F区风温密激光雷达及探测方法。激光雷达包括激光发射系统、望远镜接收系统和信号采集处理系统；激光发射系统通过利用各类激光器设备，并在光开关及频率转换器作用下输出三频切换的探测金属离子的激光；并利用激光分束镜和激光高反镜等组合实现垂直、东(西)、北(南)不同方向的激光发射，与望远镜接收系统接收方向一致；望远镜接收系统接收三个方向的回波信号，并分别进行处理获得电信号，并将电信号统一传输到信号采集处理系统，可同时获得E‑F区的温度、风场以及金属层的密度。本发明实现首次以金属离子为示踪物的激光雷达探测风场和温度，为实现E‑F区风场、温度的高精度探测提供一种探测手段。

Description

一种E-F区风温密金属离子探测激光雷达及其探测方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种E-F区风温密金属离子探测激光雷达及其探测方法，更具体地，涉及一种基于金属离子多普勒机制的E-F区风温密探测激光雷达及其探测方法。
背景技术
自1969年，Bowman等利用共振荧光激光雷达首次实现高空钠原子探测，至此之后，已有多个研究单位利用宽带共振荧光雷达对钠原子密度进行了测量(Sandford andGibson,1970；Hake et al.,1972；Megie and Blamont,1977)。在国内，中国科学院武汉物理与数学研究所在1996年率先研制成功我国第一台宽带钠激光雷达，之后，武汉大学、中国科学技术大学、中国科学院国家空间科学中心等多家单位都研制成功钠荧光激光雷达，并开展了广泛的技术和应用研究。
随着激光技术及光电子器件的发展，共振荧光激光雷达可产生窄线宽、光束发散角小的探测激光，使大气探测具有很高的时空分辨率；并且由于探测激光的高能量、单色性好，短脉冲特性以及配合了窄带滤光或者其他滤光器手段，又使激光雷达获得很高的探测灵敏度；除此之外，激光的波长还具备较大范围的调谐能力，也使得激光雷达实现了多种大气组分的探测，比如K、Li、Fe、Ga、Ga+、Mg、Ni等金属原子离子的探测。
利用共振荧光激光雷达可对对流层顶(80-110km)的大气风场、温度进行高精度测量。现有的技术中是以钠原子为示踪物，采用多普勒测量机制(利用大气中的原子分子的散射光谱会随着温度和径向速度的变化产生多普勒展宽和频移，根据回波信号反演出温度和风场信息)，利用高功率、窄线宽及高频率稳定性的激光器作为发射系统，实时获得高精度的大气风场垂直廓线和三维立体扫描风场。
利用共振荧光激光雷达可实现的金属原子离子层的探测高度，文献(Gong S,et.al.A double sodium layer event observed over Wuhan,China by lidar,Geophysical Research Letters,2003,30(5):13-1)报道了Gong等在中国武汉观测到延伸至120km的钠原子层；文献(Chu X,et.al.Lidar observations of neutral Fe layersand fast gravity waves in the thermosphere(110-155km)at McMurdo(77.8°S,166.7°E,),Antarctica,Geophysical Research Letters,2011,38(23):23807)报道了chu等观测到了155km的铁原子层；文献(荀宇畅，中纬度热层钠层的激光雷达观测与研究，中国科学院大学(国家空间科学中心))利用子午工程的瑞利-钠荧光激光雷达探测到了延伸至200km的热层钠原子层。这些特殊的原子垂直分布特征拓宽了人们对于金属层的认知，温度和风场的探测范围也得到了有效的拓展，文献(Liu A Z,et.al.First measurement ofhorizontal wind and temperature in the lower thermosphere(105-140km)with a NaLidar at Andes Lidar Observatory,Geophysical Research Letters,2016,43(6):2374-2380)报道了140km的钠原子层，并实现了该高度的温度和风场的探测。
但是到目前为止，尚未见有基于金属离子多普勒机制的高空大气风温探测的激光雷达，尤其是将风温探测范围从E层扩展到更高高度的F层的激光雷达探测并未见报道。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于金属离子多普勒机制的高空大气风温密探测激光雷达的系统和方法，可以实现E-F区风温密探测。
本发明提出了一种E-F区风温密金属离子探测激光雷达，所述激光雷达以金属离子为示踪物，探测大气层E-F区，包括：激光发射系统、望远镜接收系统和信号采集处理系统；
所述激光发射系统，用于通过各类激光器设备，并在光开关及频率转换器作用下，输出三频切换的金属离子探测激光，利用激光分束镜和激光高反镜的组合实现不同方向的激光发射，并且激光发射方向与望远镜接收系统接收方向一致；
所述望远镜接收系统，用于接收各个方向的激光回波信号，并将各个方向的回波信号分别进行处理获得电信号后统一传输到信号采集处理系统；
所述信号采集处理系统，用于对望远镜接收系统传输的电信号进行采集并处理，以获得E-F区的温度、风场以及金属层的密度。
作为上述技术方案的改进之一，所述激光发射系统包括：第一种子激光器，大功率脉冲泵浦激光器，光参量振荡放大激光器，第二种子激光器，三频切换模块，非线性频率转换器，激光扩束镜，第一激光分束镜，第二激光分束镜，第一激光高反镜，第二激光高反镜和第三激光高反镜；
所述第一种子激光器，用于产生窄线宽种子激光，并将窄带宽种子激光注入到大功率脉冲泵浦激光器；
所述大功率脉冲泵浦激光器，用于根据注入的窄线宽种子激光产生单纵模的泵浦激光，并将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器，或将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器和非线性频率转换器；
所述第二种子激光器，用于产生窄线宽种子激光，并输入到三频切换模块；
所述三频切换模块，用于对输入的窄线宽种子激光频率进行频移，具体为：将第二种子激光器注入的频率为f0的窄线宽种子激光，转换成频率为f0+Δf，f0和f0-Δf的激光，并将频率转换后的激光注入到光参量振荡放大激光器，其中，Δf为频移量，根据风温测量原理设定；
所述光参量振荡放大激光器，用于根据大功率脉冲泵浦激光器和三频切换模块注入的激光，产生单纵模窄线宽的信号激光，并入射到非线性频率转换器；
所述非线性频率转换器，用于根据光参量振荡放大激光器入射的信号激光，或者是根据大功率脉冲泵浦激光器与光参量振荡放大激光器共同入射两种激光，经过光学非线性作用，产生金属离子的共振激光，并入射到激光扩束镜；
所述激光扩束镜，用于将非线性频率转换器入射的金属离子的共振激光的光束发散角进行调整，调整后的光束入射到第一激光分束镜；
所述第一激光分束镜，用于将激光扩束镜入射的金属离子的共振激光分为透射和反射两束光束；
所述第二激光高反镜，用于将第一激光分束镜输出的反射光束反射到天空，方向指向东或西向；
所述第二激光分束镜，用于将第一激光分束镜输出的透射光束再次分成透射和反射两束光束，并将反射光束反射到天空，方向指向垂直；
所述第一激光高反镜，用于将第二激光分束镜输出的透射光束反射到第三激光高反镜，并通过第三激光高反镜将光束反射到天空，方向指向南或北向。
作为上述技术方案的改进之一，所述三频切换模块包括第一光开关，频率上转换器，光纤，频率下转换器和第二光开关；
所述频率上转换器，用于对输入三频切换模块的激光进行频率上移处理，使输出的激光频率由f0转换为f0+Δf；
所述光纤，用于对输入三频切换模块的激光直接传输；
所述频率下转换器，用于对注入三频切换模块的激光进行频率下移处理，使输出的激光频率由f0转换为f0-Δf；
所述频率上转换器、光纤和频率下转换器，分别通过第一光开关与第二种子激光器相连，通过第二光开关与光参量振荡放大激光器相连，用于控制对输入三频切换模块的激光频率进行上移、下移或不变的处理；
所述第一光开关，用于控制第二种子激光器入射到频率上转换器、光纤和频率下转换器的时序切换；
所述第二光开关，用于控制经频率上转换器、光纤和频率下转换器的时序切换后的激光入射到光参量振荡放大激光器。
作为上述技术方案的改进之一，所述望远镜接收系统包括：天顶指向东或西向接收望远镜、天顶指向垂直接收望远镜、天顶指向南或北向接收望远镜、第一光信号传导光纤、第二光信号传导光纤、第三光信号传导光纤，第一光信号准直聚焦器、第二光信号准直聚焦器、第三光信号准直聚焦器、第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；
所述天顶指向东或西向接收望远镜，用于接收来自第二激光高反镜反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第三光信号传导光纤传输到第一光信号准直聚焦器；所述第一光信号准直聚焦器，用于将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第一光电探测器的探测端面；所述第一光电探测器，用于将光信号转换为电信号并将电信号输出；
所述天顶指向垂直接收望远镜，用于接收来自第二激光分束镜反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第二光信号传导光纤传输到第二光信号准直聚焦器；所述第二光信号准直聚焦器，用于将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第二光电探测器的探测端面；所述第二光电探测器，用于将光信号转换为电信号并将电信号输出；
所述天顶指向南或北向接收望远镜，用于接收来自第三激光高反镜反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第一光信号传导光纤传输到第三光信号准直聚焦器；所述第三光信号准直聚焦器，用于将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第三光电探测器的探测端面；所述第三光电探测器，用于将光信号转换为电信号并将电信号输出；
作为上述技术方案的改进之一，所述信号采集处理系统包括：多通道数据采集模块，用于接收光第一电探测器、第二电探测器和第三电探测器输出的电信号。
作为上述技术方案的改进之一，所述信号采集处理系统还包括：时序控制模块，第一时序控制信号线、第二时序控制信号线、第三时序控制信号线、第四时序控制信号线和第五时序控制信号线；
所述时序控制模块，用于通过第一时序控制信号线、第二时序控制信号线、第三时序控制信号线、第四时序控制信号线和第五时序控制信号线控制大功率脉冲泵浦激光器与三频切换模块与多通道数据采集模块的信号同步。
本发明还提出了一种E-F区风温密金属离子探测雷达的探测方法，基于上述的基于E-F区风温密金属离子探测激光雷达对E-F区的风温密进行探测，所述方法包括：
第一种子激光器将窄线宽种子激光注入到大功率脉冲泵浦激光器，产生单纵模的泵浦激光，并将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器，或将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器和非线性频率转换器；
第二种子激光器将窄线宽种子激光并输入到三频切换模块；
时序控制模块输出时序控制信号，并通过第三时序控制信号线、第四时序控制信号线和第五时序控制信号线将时序控制信号传输到三频切换模块；三频切换模块根据时序控制信号控制第一光开关和第二光开关与频率上转换器、频率下转换器或光纤的连通，进而使得输入激光按照时序分别通过频率上转换器、频率下转换器或光纤，使输出激光的频率进行上移、下移或不变的处理并将处理后的激光按照时序控制分时注入到光参量振荡放大激光器；
光参量振荡放大激光器，在大功率脉冲泵浦激光器的泵浦作用以及所述三频切换模块输入的激光输入共同作用下，产生单纵模窄线宽的信号激光，并入射到非线性频率转换器获得金属离子共振激光，或产生的单纵模窄线宽信号激光与大功率脉冲泵浦激光器产生单纵模的泵浦激光共同入射到非线性频率转换器获得金属离子共振激光，并入射到激光扩束镜；
第一激光分束镜将激光扩束镜输出的光分为透射和反射两束光束，其中，反射光束入射到第二激光高反镜并由第二激光高反镜反射到天空，方向指向东或西向，透射光束入射到第二激光分束镜；
第二激光分束镜将入射的光束继续分成透射和反射两束光束，反射光束直接反射到天空，方向指向垂直，透射光束入射到第一激光高反镜；
第一激光高反镜将光反射到第三激光高反镜，第三激光高反镜将光反射到天空中，方向指向南或北向；
天顶指向东或西向接收望远镜接收第二激光高反镜反射到空中的激光的后向回波散射信号，后向回波散射信号由发射到空中的激光与金属层离子共振散射产生，并将信号汇聚到第三光信号传导光纤传输到第一光信号准直聚焦器；第一光信号准直聚焦器将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第一光电探测器的探测端面；第一光电探测器将光信号转换为电信号并将电信号输出；
天顶指向垂直接收望远镜接收来自第二激光分束镜反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第二光信号传导光纤传输到第二光信号准直聚焦器；第二光信号准直聚焦器将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第二光电探测器的探测端面；第二光电探测器将光信号转换为电信号并将电信号输出；
天顶指向南或北向接收望远镜接收来自第三激光高反镜反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第一光信号传导光纤传输到第三光信号准直聚焦器；第三光信号准直聚焦器将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第三光电探测器的探测端面；第三光电探测器将光信号转换为电信号并将电信号输出；
多通道数据采集模块接收第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器输出的电信号。
作为上述技术方案的改进之一，所述三频切换模块根据时序控制信号控制第一光开关和第二光开关与频率上转换器、频率下转换器或光纤(107)的连通，进而对注入激光的频率进行上移、下移或不变的处理并将处理后的激光注入到光参量振荡放大激光器，具体包括：
当时序控制模块通过第三时序控制信号线输出时序控制信号时，在控制信号为高电平时，第一光开关的第一通道接通，并将光信号送入频率上转换器，使得激光频率从f0转换为f0+Δf，然后送入第二光开关的第一通道，此时，在时序信号控制下，控制信号也同样为高电平，使得第一通道接通，最终将频率为f0+Δf的光信号注入光参量振荡放大激光器；高电平持续时间为Δt，当高电平在经历Δt时间之后转换为低电平时，第一光开关的第一通道和第二光开关的第一通道关闭；第三时序控制信号线、第四时序控制信号线和第五时序控制信号线输出交替的高低电平，其中低电平持续时间为2Δt；
当时序控制模块通过第四时序控制信号线输出时序控制信号时，在控制信号为高电平时在控制信号为高电平时第一光开关的第二通道接通，并将光信号送入第二光开关的第二通道，在时序信号控制下，使得第二通道接通，此时光信号频率不变，为f0，最终将频率为f0的光信号注入光参量振荡放大激光器；
当时序控制模块通过第五时序控制信号线输出时序控制信号时，在控制信号为高电平时，第一光开关的第三通道接通，并将光信号送入频率下转换器，使得激光频率从f0转换为f0-Δf，然后送入第二光开关的第三通道，在时序信号控制下，使得第三通道接通，最终将频率为f0-Δf的光信号注入光参量振荡放大激光器。
作为上述技术方案的改进之一，所述频移量Δf，根据风温测量原理，有多个设定值。
本申请的技术效果：利用新的激光雷达探测技术，可以实现E-F区风温密探测。
本发明与现有技术相比优点在于：
1、首次利用金属离子激光雷达探测风温；
2、将风温密的探测范围由E层底部扩展至F层，大大扩大了激光雷达对风温密的探测范围，实现了前所未有的风温密新技术探测突破。
附图说明
图1为基于金属离子多普勒机制的E-F区风温密探测激光雷达组成结构框图；
图2为三频切换模块组成框图；
图3为80-300km处三频(f-、f0、f+)回波光子信号图，其中，图3(a)为80-300km处f-回波光子信号图，图3(b)为80-300km处f0回波光子信号图，图3(c)为80-300km处f+回波光子信号图；
图4为实施风场探测结果判断结果图；
图5为实施温度探测结果判断结果图；
图6为基于金属离子多普勒机制的E-F区风温密探测激光雷达另一种组成结构框图。
附图标记
1、激光发射系统 2、望远镜接收系统 3、数据采集处理系统
101、第一种子激光器 102、大功率脉冲泵浦激光器
103、光参量振荡放大激光器 104、第二种子激光器
105、第一光开关 106、频率上转换器
107、光纤 108、频率下转换器 109、第二光开关
110、三频切换模块 111、非线性频率转换器
112、激光扩束镜 113、第一激光分束镜
114、第二激光分束镜 115、第一激光高反镜
116、第二激光高反镜 117、第三激光高反镜
201、天顶指向东或西向接收望远镜 202、天顶指向垂直接收望远镜
203、天顶指向北或南向接收望远镜 204、第一光信号传导光纤
205、第二光信号传导光纤 206、第三光信号传导光纤
207、第一光信号准直聚焦器 208、第二光信号准直聚焦器
209、第三光信号准直聚焦器 210、第一光电探测器
211、第二光电探测器 212、第三光电探测器；
301、多通道数据采集模块 302、时序控制模块
303、第一时序控制信号线 304、第二时序控制信号线
305、第三时序控制信号线 306、第四时序控制信号线
307、第五时序控制信号线；
具体实施方式
本发明提出的基于金属离子多普勒机制的高空大气风温密探测激光雷达，包括激光发射系统1、望远镜接收系统2、数据采集处理系统3。
激光发射系统包括：第一种子激光器101，大功率脉冲泵浦激光器102，光参量振荡放大激光器103，第二种子激光器104，三频切换模块110，非线性频率转换器111，激光扩束镜112，第一激光分束镜113，第二激光分束镜114，第一激光高反镜115，第二激光高反镜116，第三激光高反镜117；其中三频切换模块110包括第一光开关105，频率上转换器106，光纤107，频率下转换器108，第二光开关109；
望远镜接收系统2包括：天顶指向东(西)向接收望远镜201，天顶指向垂直接收望远镜202，天顶指向南(北)向接收望远镜203，第一光信号传导光纤204、第二光信号传导光纤205、第三光信号传导光纤206，第一光信号准直聚焦器207、第二光信号准直聚焦器208、第三光信号准直聚焦器209，第一光电探测器210、第二光电探测器211、第三光电探测器212；
数据采集处理系统3包括：多通道数据采集模块301，时序控制模块302，第一时序控制信号线303、第二时序控制信号线304、第三时序控制信号线305、第四时序控制信号线306、第五时序控制信号线307；
本发明的基于金属离子多普勒机制的高空大气风温密探测激光雷达的探测方法步骤包括：
第一种子激光器101将窄线宽种子激光注入到大功率脉冲泵浦激光器102，产生单纵模的泵浦激光，该激光为平顶光束，能量均匀；由大功率脉冲泵浦激光器102产生的泵浦光入射到光参量振荡放大激光器，并在第二光开关109的种子注入作用下，产生单纵模窄线宽的信号激光；该信号激光进入非线性频率转换器111，经过光学非线性作用，产生金属离子的共振激光。第二种子激光器104先经过光开关，分别连接到频率上转换器106，光纤107，频率下转换器108，然后在连接到第二光开关109；
当时序控制模块302通过第三时序控制信号线305输出时序控制信号时，第一光开关105的第一通道接通，并将光信号送入频率上转换器106，使得激光频率从f0转换为f0+Δf，然后送入第二光开关109的第一通道，在第四时序控制信号线306控制下，使得第一通道接通，最终将光信号f0+Δf注入光参量振荡放大激光器103；同理，第一光开关105的第二通道接通，并将光信号送入第二光开关109的第二通道，在时序信号控制下，使得第二通道接通，此时光信号频率不变，为f0，最终将光信号f0注入光参量振荡放大激光器103；在第五时序控制信号线307控制下，第一光开关105的第三通道接通，并将光信号送入频率下转换器108，使得激光频率从f0转换为f0-Δf，然后送入第二光开关109的第三通道，在时序信号控制下，使得第三通道接通，最终将光信号f0-Δf注入光参量振荡放大激光器103；
由非线性频率转换器111输出的金属离子共振激光进入到激光扩束镜112，从扩束镜输出的光经过第一激光分束镜113分为2束，一束透射入射到第二激光分束镜114，另外一束反射，入射到第二激光高反镜116，反射到天空；入射到第二激光分束镜114的光束，一束直接反射到天空，另一束透射，透射光又入射到第一激光高反镜115，将光反射到第三激光高反镜117，该高反镜将光反射到天空中；
天顶指向东(西)向接收望远镜201接收来自第二激光高反镜116反射到空中的激光的后向回波散射信号，该信号由望远镜汇聚到第三光信号传导光纤206，然后经过第一光信号准直聚焦器207将光信号聚焦，聚焦后的光信号入射到第一光电探测器210的探测端面，此时光信号转换为电信号输出。其余两路天顶指向垂直接收望远镜202、天顶指向南(北)向接收望远镜203后续接收光路与天顶指向东(西)向接收望远镜201的相同；
时序控制模块302通过第一时序控制信号线303、第二时序控制信号线304、第三时序控制信号线305、第四时序控制信号线306、第五时序控制信号线307控制大功率脉冲泵浦激光器102与三频切换模块110与多通道数据采集模块301，使这些信号同步；
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
实施例以钙离子风温密激光雷达及其探测方法为例来说明和解释本发明。
如图1所示，为本发明实施例的基于钙离子多普勒机制的E-F区风温密探测激光雷达组成框图，探测激光雷达包括激光发射系统1、望远镜接收系统2、数据采集处理系统3。
激光发射系统包括：1064nm种子激光器101，大功率脉冲YAG激光器102，光参量振荡放大激光器103，786nm种子激光器104，三频切换模块110，非线性频率转换器111，激光扩束镜112，第一激光分束镜113，第二激光分束镜114，第一激光高反镜115，第二激光高反镜116，第三激光高反镜117；其中三频切换模块110包括第一光开关105，频率上转换器106，光纤107，频率下转换器108，第二光开关109；
望远镜接收系统包括：天顶指向东向接收望远镜，天顶指向垂直接收望远镜202，天顶指向北向接收望远镜203，第一光信号传导光纤204、第二光信号传导光纤205、第三光信号传导光纤206，第一光信号准直聚焦器207、第二光信号准直聚焦器208、第三光信号准直聚焦器209，第一光电探测器210、第二光电探测器211、第三光电探测器212；
数据采集处理系统包括：多通道数据采集模块301，时序控制模块302，第一时序控制信号线303、第二时序控制信号线304、第三时序控制信号线305、第四时序控制信号线306、第五时序控制信号线307；
其中：1064nm种子激光器101将窄线宽种子激光注入到大功率脉冲YAG激光器102，产生单纵模窄线宽的1064nm泵浦激光，该激光为平顶光束，能量均匀；该1064nm泵浦激光入射到光参量振荡放大激光器103，并在第二光开关109的选通作用下，将上转换频率或者下转换频或者不变的频率循环选通送入光参量振荡放大激光器103；光参量振荡放大激光器103在泵浦光及种子注入光的作用下，产生与种子注入相同频率的大功率激光；该激光进入非线性频率转换器111，通过倍频方式，产生393nm的探测激光；或者是该激光与泵浦激光和频也可以产生393nm的探测激光；
如图2所示，为本发明实施例的三频切换模块110的组成框图；对于三频切换模块110来说，第一光开关105和第二光开关109的第一通道选通，以及频率上转换器106打开时，输出的频率为f0+Δf，其中Δf为325MHz，对于从非线性频率转换器111输出的光Δf’＝650MHz；如果第一光开关105和第二光开关109的第二通道选通，输出的频率为f0，其中Δf为0，对于从非线性频率转换器111输出的光Δf’＝0MHz，此时不发生频移；如果第一光开关105和第二光开关109的第三通道选通，以及频率上转换器106打开时，输出的频率为f0-Δf，其中Δf为325MHz，对于从非线性频率转换器111输出的光Δf’＝650MHz；
由非线性频率转换器111输出的金属离子共振激光进入到激光扩束镜112，从扩束镜输出的光经过第一激光分束镜113分为2束，一束透射入射到第二激光分束镜114，另外一束反射，入射到第二激光高反镜116，反射到天空；入射到第二激光分束镜114的光束，一束直接反射到天空，另一束透射，透射光又入射到第一激光高反镜115，将光反射到第三激光高反镜117，该高反镜将光反射到天空中；
天顶指向东向接收望远镜201接收来自第二激光高反镜116反射到空中的激光的后向回波散射信号，该信号由望远镜汇聚到第三光信号传导光纤206，然后经过第一光信号准直聚焦器207将光信号聚焦，聚焦后的光信号入射到第一光电探测器210的探测端面，此时光信号转换为电信号输出。天顶指向垂直接收望远镜202收来自第二激光高反镜114反射到空中的激光的后向回波散射信号，该信号由望远镜汇聚到第二光信号传导光纤205，然后经过第二光信号准直聚焦器208将光信号聚焦，聚焦后的光信号入射到第二光电探测器211的探测端面，此时光信号转换为电信号输出。天顶指向北向接收望远镜201接收来自第三激光高反镜117反射到空中的激光的后向回波散射信号，该信号由望远镜汇聚到第一光信号传导光纤204，然后经过第三光信号准直聚焦器209将光信号聚焦，聚焦后的光信号入射到第三光电探测器212的探测端面，此时光信号转换为电信号输出。最终3路电信号在时序控制模块302的信号同步作用下，由多通道数据采集模块301采集反演。根据探测到的信号强度与温度和风速的变化关系，进一步反演E-F区的温度、风场信息。基于多普勒机制的大气温度、风场反演方法是该领域所已知的常识。
如图3所示，为本发明实施例在80-300km处三频(f-、f0、f+)回波光子信号图；其中，图3(a)为80-300km处f-回波光子信号图，图3(b)为80-300km处f0回波光子信号图，图3(c)为80-300km处f+回波光子信号图。如图4所示，为本发明实施例的三频(f-、f0、f+)探测结果风场判断结果图，由探测结果图可以看出，96.7km处的三频比率与97.6km处的三频比率不一致，说明这两个峰的垂直速度明显不同；如图5所示，为本发明实施例的三频(f-、f0、f+)探测结果温度判断结果图，由探测结果图可以看出，三频(f-、f0、f+)的回波信号差距变小，可以判断出这一高度区域内的大气温度很高。(图中f-表示对频率进行下移，即对应f0-Δf，f+表示对频率进行上移，即对应f0+Δf)。
事实上，在本实施例中，还进行了另一种探测，如图6所示：利用第一种子激光器101将窄线宽种子激光注入到大功率脉冲泵浦激光器102，产生单纵模的泵浦激光，并将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器103和非线性频率转换器111；利用光参量振荡放大激光器103，在大功率脉冲泵浦激光器102的泵浦作用以及所述三频切换模块110输入的激光输入共同作用下，产生单纵模窄线宽的信号激光，将单纵模窄线宽信号激光与大功率脉冲泵浦激光器102产生单纵模的泵浦激光共同入射到非线性频率转换器111获得金属离子共振激光，并入射到激光扩束镜112；此种探测方法也能反演获取E-F区的温度、风场信息。
从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明将风温密的探测范围由E层底部扩展至F层，大大扩大了激光雷达对风温密的探测范围，实现了前所未有的风温密新技术探测突破。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种E-F区风温密金属离子探测激光雷达，其特征在于，所述激光雷达以金属离子为示踪物，探测大气层E-F区，包括：激光发射系统(1)、望远镜接收系统(2)和信号采集处理系统(3)；
所述激光发射系统(1)，用于通过各类激光器设备，并在光开关及频率转换器作用下，输出三频切换的金属离子探测激光，利用激光分束镜和激光高反镜的组合实现不同方向的激光发射，并且激光发射方向与望远镜接收系统(2)接收方向一致；
所述望远镜接收系统(2)，用于接收各个方向的激光回波信号，并将各个方向的回波信号分别进行处理获得电信号后统一传输到信号采集处理系统(3)；
所述信号采集处理系统(3)，用于对望远镜接收系统(2)传输的电信号进行采集并处理，以获得E-F区的温度、风场以及金属层的密度；
所述激光发射系统包括：第一种子激光器(101)，大功率脉冲泵浦激光器(102)，光参量振荡放大激光器(103)，第二种子激光器(104)，三频切换模块(110)，非线性频率转换器(111)，激光扩束镜(112)，第一激光分束镜(113)，第二激光分束镜(114)，第一激光高反镜(115)，第二激光高反镜(116)和第三激光高反镜(117)；
所述第一种子激光器(101)，用于产生窄线宽种子激光，并将窄带宽种子激光注入到大功率脉冲泵浦激光器(102)；
所述大功率脉冲泵浦激光器(102)，用于根据注入的窄线宽种子激光产生单纵模的泵浦激光，并将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器(103)，或将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器(103)和非线性频率转换器(111)；
所述第二种子激光器(104)，用于产生窄线宽种子激光，并输入到三频切换模块(110)；
所述三频切换模块(110)，用于对输入的窄线宽种子激光频率进行频移，具体为：将第二种子激光器(104)注入的频率为f0的窄线宽种子激光，转换成频率为f0+Δf，f0和f0-Δf的激光，并将频率转换后的激光注入到光参量振荡放大激光器(103)，其中，Δf为频移量，根据风温测量原理设定；
所述光参量振荡放大激光器(103)，用于根据大功率脉冲泵浦激光器(102)和三频切换模块(110)注入的激光，产生单纵模窄线宽的信号激光，并入射到非线性频率转换器(111)；
所述非线性频率转换器(111)，用于根据光参量振荡放大激光器(103)入射的信号激光，或者是根据大功率脉冲泵浦激光器(102)与光参量振荡放大激光器(103)共同入射两种激光，经过光学非线性作用，产生金属离子的共振激光，并入射到激光扩束镜(112)；
所述激光扩束镜(112)，用于将非线性频率转换器(111)入射的金属离子的共振激光的光束发散角进行调整，调整后的光束入射到第一激光分束镜(113)；
所述第一激光分束镜(113)，用于将激光扩束镜(112)入射的金属离子的共振激光分为透射和反射两束光束；
所述第二激光高反镜(116)，用于将第一激光分束镜(113)输出的反射光束反射到天空，方向指向东或西向；
所述第二激光分束镜(114)，用于将第一激光分束镜(113)输出的透射光束再次分成透射和反射两束光束，并将反射光束反射到天空，方向指向垂直；
所述第一激光高反镜(115)，用于将第二激光分束镜(114)输出的透射光束反射到第三激光高反镜(117)，并通过第三激光高反镜(117)将光束反射到天空，方向指向南或北向。
2.根据权利要求1所述的E-F区风温密金属离子探测激光雷达，其特征在于，所述三频切换模块(110)包括第一光开关(105)，频率上转换器(106)，光纤(107)，频率下转换器(108)和第二光开关(109)；
所述频率上转换器(106)，用于对输入三频切换模块(110)的激光进行频率上移处理，使输出的激光频率由f0转换为f0+Δf；
所述光纤(107)，用于对输入三频切换模块(110)的激光直接传输；
所述频率下转换器(108)，用于对注入三频切换模块(110)的激光进行频率下移处理，使输出的激光频率由f0转换为f0-Δf；
所述频率上转换器(106)、光纤(107)和频率下转换器(108)，分别通过第一光开关(105)与第二种子激光器(104)相连，通过第二光开关(109)与光参量振荡放大激光器(103)相连，用于控制对输入三频切换模块(110)的激光频率进行上移、下移或不变的处理；
所述第一光开关(105)，用于控制第二种子激光器(104)入射到频率上转换器(106)、光纤(107)和频率下转换器(108)的时序切换；
所述第二光开关(109)，用于控制经频率上转换器(106)、光纤(107)和频率下转换器(108)的时序切换后的激光入射到光参量振荡放大激光器(103)。
3.根据权利要求1所述的E-F区风温密金属离子探测激光雷达，其特征在于，所述望远镜接收系统(2)包括：天顶指向东或西向接收望远镜(201)、天顶指向垂直接收望远镜(202)、天顶指向南或北向接收望远镜(203)、第一光信号传导光纤(204)、第二光信号传导光纤(205)、第三光信号传导光纤(206)，第一光信号准直聚焦器(207)、第二光信号准直聚焦器(208)、第三光信号准直聚焦器(209)、第一光电探测器(210)、第二光电探测器(211)和第三光电探测器(212)；
所述天顶指向东或西向接收望远镜(201)，用于接收来自第二激光高反镜(116)反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第三光信号传导光纤(206)传输到第一光信号准直聚焦器(207)；所述第一光信号准直聚焦器(207)，用于将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第一光电探测器(210)的探测端面；所述第一光电探测器(210)，用于将光信号转换为电信号并将电信号输出；
所述天顶指向垂直接收望远镜(202)，用于接收来自第二激光分束镜(114)反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第二光信号传导光纤(205)传输到第二光信号准直聚焦器(208)；所述第二光信号准直聚焦器(208)，用于将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第二光电探测器(211)的探测端面；所述第二光电探测器(211)，用于将光信号转换为电信号并将电信号输出；
所述天顶指向南或北向接收望远镜(203)，用于接收来自第三激光高反镜(117)反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第一光信号传导光纤(204)传输到第三光信号准直聚焦器(209)；所述第三光信号准直聚焦器(209)，用于将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第三光电探测器(212)的探测端面；所述第三光电探测器(212)，用于将光信号转换为电信号并将电信号输出。
4.根据权利要求3所述的E-F区风温密金属离子探测激光雷达，其特征在于，所述信号采集处理系统包括：多通道数据采集模块(301)，用于接收第一光电探测器(210)、第二光电探测器(211)和第三光电探测器(212)输出的电信号。
5.根据权利要求4所述的E-F区风温密金属离子探测激光雷达，其特征在于，所述信号采集处理系统还包括：时序控制模块(302)，第一时序控制信号线(303)、第二时序控制信号线(304)、第三时序控制信号线(305)、第四时序控制信号线(306)和第五时序控制信号线(307)；
所述时序控制模块(302)，用于通过第一时序控制信号线(303)、第二时序控制信号线(304)、第三时序控制信号线(305)、第四时序控制信号线(306)和第五时序控制信号线(307)控制大功率脉冲泵浦激光器(102)与三频切换模块(110)与多通道数据采集模块(301)的信号同步。
6.一种E-F区风温密金属离子探测雷达的探测方法，基于权利要求5所述的E-F区风温密金属离子探测激光雷达对E-F区的风温密进行探测，其特征在于，所述方法包括：
第一种子激光器(101)将窄线宽种子激光注入到大功率脉冲泵浦激光器(102)，产生单纵模的泵浦激光，并将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器(103)，或将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器(103)和非线性频率转换器(111)；
第二种子激光器(104)将窄线宽种子激光并输入到三频切换模块(110)；
时序控制模块(302)输出时序控制信号，并通过第三时序控制信号线(305)、第四时序控制信号线(306)和第五时序控制信号线(307)将时序控制信号传输到三频切换模块(110)；三频切换模块(110)根据时序控制信号控制第一光开关(105)和第二光开关(109)与频率上转换器(106)、频率下转换器(108)或光纤(107)的连通，进而使得输入激光按照时序分别通过频率上转换器(106)、频率下转换器(108)或光纤(107)，使输出激光的频率进行上移、下移或不变的处理并将处理后的激光按照时序控制分时注入到光参量振荡放大激光器(103)；
光参量振荡放大激光器(103)，在大功率脉冲泵浦激光器(102)的泵浦作用以及所述三频切换模块(110)输入的激光输入共同作用下，产生单纵模窄线宽的信号激光，并入射到非线性频率转换器(111)获得金属离子共振激光，或产生的单纵模窄线宽信号激光与大功率脉冲泵浦激光器(102)产生单纵模的泵浦激光共同入射到非线性频率转换器(111)获得金属离子共振激光，并入射到激光扩束镜(112)；
第一激光分束镜(113)将激光扩束镜(112)输出的光分为透射和反射两束光束，其中，反射光束入射到第二激光高反镜(116)并由第二激光高反镜(116)反射到天空，方向指向东或西向，透射光束入射到第二激光分束镜(114)；
第二激光分束镜(114)将入射的光束继续分成透射和反射两束光束，反射光束直接反射到天空，方向指向垂直，透射光束入射到第一激光高反镜(115)；
第一激光高反镜(115)将光反射到第三激光高反镜(117)，第三激光高反镜(117)将光反射到天空中，方向指向南或北向；
天顶指向东或西向接收望远镜(201)接收第二激光高反镜(116)反射到空中的激光的后向回波散射信号，后向回波散射信号由发射到空中的激光与金属层离子共振散射产生，并将信号汇聚到第三光信号传导光纤(206)传输到第一光信号准直聚焦器(207)；第一光信号准直聚焦器(207)将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第一光电探测器(210)的探测端面；第一光电探测器(210)将光信号转换为电信号并将电信号输出；
天顶指向垂直接收望远镜(202)接收来自第二激光分束镜(114)反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第二光信号传导光纤(205)传输到第二光信号准直聚焦器(208)；第二光信号准直聚焦器(208)将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第二光电探测器(211)的探测端面；第二光电探测器(211)将光信号转换为电信号并将电信号输出；
天顶指向南或北向接收望远镜(203)接收来自第三激光高反镜(117)反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第一光信号传导光纤(204)传输到第三光信号准直聚焦器(209)；第三光信号准直聚焦器(209)将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第三光电探测器(212)的探测端面；第三光电探测器(212)将光信号转换为电信号并将电信号输出；
多通道数据采集模块(301)接收第一光电探测器(210)、第二光电探测器(211)和第三光电探测器(212)输出的电信号。
7.根据权利要求6所述的E-F区风温密金属离子雷达的探测方法，其特征在于，所述三频切换模块(110)根据时序控制信号控制第一光开关(105)和第二光开关(109)与频率上转换器(106)、频率下转换器(108)或光纤(107)的连通，进而对注入激光的频率进行上移、下移或不变的处理并将处理后的激光注入到光参量振荡放大激光器(103)，具体包括：
当时序控制模块(302)通过第三时序控制信号线(305)输出时序控制信号时，在控制信号为高电平时，第一光开关(105)的第一通道接通，并将光信号送入频率上转换器(106)，使得激光频率从f0转换为f0+Δf，然后送入第二光开关(109)的第一通道，此时，在时序信号控制下，控制信号也同样为高电平，使得第一通道接通，最终将频率为f0+Δf的光信号注入光参量振荡放大激光器(103)；高电平持续时间为Δt，当高电平在经历Δt时间之后转换为低电平时，第一光开关(105)的第一通道和第二光开关(109)的第一通道关闭；第三时序控制信号线(305)、第四时序控制信号线(306)和第五时序控制信号线(307)输出交替的高低电平，其中低电平持续时间为2Δt；
当时序控制模块(302)通过第四时序控制信号线(306)输出时序控制信号时，在控制信号为高电平时在控制信号为高电平时第一光开关(105)的第二通道接通，并将光信号送入第二光开关(109)的第二通道，在时序信号控制下，使得第二通道接通，此时光信号频率不变，为f0，最终将频率为f0的光信号注入光参量振荡放大激光器(103)；
当时序控制模块(302)通过第五时序控制信号线(307)输出时序控制信号时，在控制信号为高电平时，第一光开关(105)的第三通道接通，并将光信号送入频率下转换器(108)，使得激光频率从f0转换为f0-Δf，然后送入第二光开关(109)的第三通道，在时序信号控制下，使得第三通道接通，最终将频率为f0-Δf的光信号注入光参量振荡放大激光器(103)。
8.根据权利要求7所述的E-F区风温密金属离子探测雷达的探测方法，其特征在于，所述频移量Δf，根据风温测量原理，有多个设定值。
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