CN205899032U - 一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达，该激光雷达由激光发射单元、接收单元、控制与数控采集处理单元组成。其中，激光发射单元在氧气A带谱线凹槽中选择两个特定的波长作为探测波长和参考波长，两个激光波长相近。接收单元获得地表脉冲回波，由脉冲发射至回波脉冲返回的时间间隔可推测海拔高度，由两种波长激光的发射能量和回波能量的比值，可反演地表压强。本专利的优点在于：可同时探测地表压强和海拔高度。

Description

一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达

技术领域

本专利涉及一种空间激光雷达，可以探测自卫星到星下点地球表面的距离，从而获知地表该点的海拔；本专利也涉及一种长光程差分吸收激光雷达探测地表大气压强，同时获得地表海拔和大气压强两项指标。

背景技术

在与大气动力学有联系的一系列大气过程中，气压扮演了很重要的角色。例如气压的水平梯度和地球自转偏向力作为基本力作用于气团，用来推演出平衡风，天气模式通常用气压等高图来描述。如低气压、高气压、低压槽、高压脊、反气旋、引入大气模式。此外，风暴体制和锋面是重要的天气现象，并产生显著的海-气相互作用和地球边界层(PBL)通量。更好地确定风，压强，海面温度，和锋面位置，对这些尺度建模的改进是必不可少的。对模型精度的主要限制是输入数据空间分布的稀疏性。

海面大气压强数据在大面积的海洋和南半球是十分稀疏的。海洋热带低气压对我国气候影响甚大，由于海面气象台站的缺乏，比如我国东海海域、南海海域海面大气压强观测值就很缺乏。气压梯度分布数据对于精确预报台风形成、登陆的方向、移动轨迹十分有利，减小政府决策中过度防备或防备不足带来的损失。

蒙古国和俄罗斯西伯利亚地区不是我国领土，我们无法在那里布置地面观测台站，邻国的地面观测点也很稀疏，而那里的冷高压对我国寒潮的形成很重要。

我国新疆沙漠、青藏高原、极地地区环境条件差的广大区域，难以保障地面观测人员长期居住。青藏高原地-气耦合过程研究，青藏高原多尺度地形的动力学效应，青藏高原大地形对大气环流的影响，青藏高原动力学、热力学过程等研究，以及极地大气环境研究，都需要分布密集的大气压强基础数据。

固定气象台站，定期采用探空气球来业务化探测大气压强，是当前气象业务部门精度最高、数据最可靠的探测手段，这种手段仍是长期使用、不可替代的、最有效的探测手段。然而航空管制部门对释放探空气球的时间有严格限制，不能允许全天时持续探测。

我国已经实现了风云系列卫星的红外遥感器大气温度探测以及微波辐射计大气湿度探测。然而到目前为止，对于大气压强，除了探空气球上的压强传感器，我国还没有遥感仪器成功运行。

国际上在轨运行也只有发射不久的如GOSAT卫星上的TANSO-FTS仪器和OCO-2卫星的仪器，Envisat卫星MERIS仪器，但是由于太阳天顶角的变化以及仪器光谱分辨率的限制，其地球表面压强探测精度还不满足气象预报的需要，况且晚上没有太阳光亦不能工作，目前还只是用来为遥感大气二氧化碳气体的柱浓度，提供氧气参考数据。全球大气研究计划(Global Atmospheric Research Program)要求地球表面气压遥感测量精度达到0.3％。

差分吸收激光高度计的激光脉冲，用地面硬目标反射信号而不是大气后向散射，所需要的发射激光功率相比起来小几个数量级，得到地表大气压强也不是压强廓线。这不是一个重大的牺牲，知道了地表压强数值以后，我们就能够从卫星测量温度廓线由静力学方程得到大气压强垂直廓线。差分吸收激光高度计若能随卫星绕行，对地球表面大气压强遥感数据的覆盖范围和密度大大增加了。

采用激光高度计的工作模式，测量激光器脉冲穿过空气柱的大气吸收率和脉冲飞行时间。不仅可以获得地表压强，还可以同时得到海拔高度，能够区分出云和地面的反射(可以分出是云顶大气压强还是地球表面压强)，这样对气象应用也更有意义。

大气介质是一种随机介质，描述和表达大气的变化过程十分困难。把差分吸收技术应用于激光探测过程，即同时发射两种光束，一种光束称之为探测光束，另一光束称之为参考光束，它们照射地表的光斑重合；两种光束经过大气返回之后比对，将其他难以计算的大气效应都差分消掉，从而凸显大气压强变化引起的光谱吸收的差别，这些都是本专利的由来。

发明内容

本专利的目的是提供一种服务于同时探测地球表面压强和海拔的空间差分吸收激光雷达。该空间差分激光雷达由激光发射单元、接收单元、控制与数控采集处理单元组成。其中发射激光的输出评论采用主动稳频，接受单元通过偏振分束分别得到探测波长和参考波长的地表回波，控制与数控采集处理单元通过处理发射脉冲能量监视器，时间间隔测量器，回波脉冲触发和回波数据采集器的信号，最后得到地表高度和压强信息。

为实现上述目的，本专利采用如下技术方案：

1、结构

一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达由激光发射单元1、接收单元2、控制与数控采集处理单元3组成；

所述的激光发射单元1包括第二反射镜11，偏振合束器12，第一反射镜13，波长监视器14，探测波长激光器15，参考波长激光器16，谐振腔腔长压电控制器17，泵浦激光器18，探测波长种子激光器19，参考波长种子激光器110；

所述的泵浦激光器18泵浦探测波长激光器15和参考波长激光器16，这两台激光器的波长分别由探测波长种子激光器19和参考波长种子激光器110控制；探测波长激光器15部分光进入波长监视器14，并通过谐振腔腔长压电控制器17稳定探测波长激光器15输出的激光波长；参考波长激光器16出射的光经过第一反射镜13达到偏振合束器12与探测波长激光器15出射的光合为一束光后经由第二反射镜11竖直射向地球表面；参考波长激光器16有部分光进入发射脉冲触发器31和发射脉冲能量监视器32，探测波长激光器15有部分光进入发射脉冲能量监视器32；

所述的接收单元2包括星上望远镜21，透镜22，窄带滤光片23，偏振分束器24，第三反射镜25，第一光探测器26，第二光探测器27；接收单元2中的星上望远镜21接收地表反射的脉冲能量回波信号通过透镜22和窄带滤光片23后经过偏振分束器24后一路光直接进入第一光探测器26，另一束光经过第三反射镜25进入第二光探测器27；

所述的控制与数控采集处理单元3包括发射脉冲触发器31，发射脉冲能量监视器32，时间间隔测量器33，回波脉冲触发和回波数据采集器34，微处理器35；时间间隔测量器33从发射脉冲触发器31和回波脉冲触发和回波数据采集器34的触发得到时间间隔，微处理器35接收发射脉冲能量监视器32，时间间隔测量器33，回波脉冲触发和回波数据采集器34的信号，处理后得到地表高度和压强信息；

系统工作时，所述的激光发射单元1向垂直地表方向发射两束脉冲激光，其波长为；来自地面的回波由接收单元2接收，将两个探测器接收到的信号发送至控制与数控采集处理单元3，控制与数控采集处理单元3对信号进行处理，得到地球表面压强和海拔的信息数据。

所述的探测波长激光器15的波长为759.89632nm。

所述的参考波长激光器16的波长为759.10nm。

一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达的数据处理方法方法如下：

由接收单元2获得信号数据，其中第一探测器26信号E_on(R)，第二探测器27信号E_off(R)，发射脉冲能量监视器32信号E_on(0)，E_off(0)，时间间隔测量器33信号t，地球表面压强p₀由公式(1)求出：

$p_0=\frac{1}{C}\×\sqrt{\frac{E_{on}\left(R\right)E_{off}\left(0\right)}{E_{off}\left(R\right)E_{on}\left(0\right)}}---\left(1\right)$

其中C为常数，由定标确定；同时海拔数据R由公式2求出：

$R=\frac{ct}{2}---\left(2\right)$

C为光速。

据此本专利提出一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达，本专利的有点在于：可以同时探测地球表面压强和海拔，提供比红外被动探测更有意义的气象数据。

附图说明

图1为空间差分吸收激光雷达的结构示意图。其中：1激光发射单元、2接收单元、3控制与数控采集处理单元。

图2为空间差分吸收激光雷达的具体结构示意图。其中11第二反射镜，12偏振合束器，13第一反射镜，14波长监视器，15探测波长激光器，16参考波长激光器，17谐振腔腔长压电控制器，18泵浦激光器，19探测波长种子激光器，110参考波长种子激光器；21星上望远镜，22透镜，23窄带滤光片，24偏振分束器，25第三反射镜，26第一光探测器，27第二光探测器；31发射脉冲触发器，32发射脉冲能量监视器，33时间间隔测量器33，34回波脉冲触发和回波数据采集器，35微处理器。

具体实施方式

下面结合附图，对本专利作进一步说明。

一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达由激光发射单元1、接收单元2、控制与数控采集处理单元3组成；

其中，激光发射单元1由第二反射镜11，偏振合束器12，第一反射镜13，波长监视器14，探测波长激光器15，参考波长激光器16，谐振腔腔长压电控制器17，泵浦激光器18，探测波长种子激光器19，参考波长种子激光器110组成；泵浦激光器18泵浦探测波长激光器15和参考波长激光器16，这两台激光器的波长分别由探测波长种子激光器19和参考波长种子激光器110控制；探测波长激光器15部分光进入波长监视器14，并通过谐振腔腔长压电控制器17稳定探测波长激光器15输出的激光波长；参考波长激光器16出射的光经过第一反射镜13达到偏振合束器12与探测波长激光器15出射的光合为一束光后经由第二反射镜11竖直射向地球表面；参考波长激光器16有部分光进入发射脉冲触发器31和发射脉冲能量监视器32，探测波长激光器15有部分光进入发射脉冲能量监视器32；

接收单元2由星上望远镜21，透镜22，窄带滤光片23，偏振分束片24，第三反射镜25，第一光探测器26，第二光探测器27组成；接收单元2中的星上望远镜21接收地表反射的脉冲能量回波信号通过透镜22和窄带滤光片23后经过偏振分束片24后一路光直接进入第一光探测器26，另一束光经过第三反射镜25进入第二光探测器27，第一光探测器26和第二光探测器27的输出端分别连接到控制与数控采集处理单元3的输入端；

控制与数控采集处理单元3由发射脉冲触发器31，发射脉冲能量监视器32，时间间隔测量器33，回波脉冲触发和回波数据采集器34，微处理器35组成；微处理器35)接收发射脉冲能量监视器32，时间间隔测量器33，回波脉冲触发和回波数据采集器34的信号，处理后得到高度和压强信息。

Claims (3)

1.一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达，包括激光发射单元(1)、接收单元(2)、控制与数控采集处理单元(3)，其特征在于：

所述的激光发射单元(1)包括第二反射镜(11)，偏振合束器(12)，第一反射镜(13)，波长监视器(14)，探测波长激光器(15)，参考波长激光器(16)，谐振腔腔长压电控制器(17)，泵浦激光器(18)，探测波长种子激光器(19)，参考波长种子激光器(110)；

所述的泵浦激光器(18)泵浦探测波长激光器(15)和参考波长激光器(16)，这两台激光器的波长分别由探测波长种子激光器(19)和参考波长种子激光器(110)控制；探测波长激光器(15)部分光进入波长监视器(14)，并通过谐振腔腔长压电控制器(17)稳定探测波长激光器(15)输出的激光波长；参考波长激光器(16)出射的光经过第一反射镜(13)达到偏振合束器(12)与探测波长激光器(15)出射的光合为一束光后经由第二反射镜(11)竖直射向地球表面；参考波长激光器(16)有部分光进入发射脉冲触发器(31)和发射脉冲能量监视器(32)，探测波长激光器(15)有部分光进入发射脉冲能量监视器(32)；

所述的接收单元(2)包括星上望远镜(21)，透镜(22)，窄带滤光片(23)，偏振分束器(24)，第三反射镜(25)，第一光探测器(26)，第二光探测器(27)；接收单元(2)中的星上望远镜(21)接收地表反射的脉冲能量回波信号通过透镜(22)和窄带滤光片(23)后经过偏振分束器(24)后一路光直接进入第一光探测器(26)，另一束光经过第三反射镜(25)进入第二光探测器(27)；

所述的控制与数控采集处理单元(3)包括发射脉冲触发器(31)，发射脉冲能量监视器(32)，时间间隔测量器(33)，回波脉冲触发和回波数据采集器(34)，微处理器(35)；时间间隔测量器(33)从发射脉冲触发器(31)和回波脉冲触发和回波数据采集器(34)的触发得到时间间隔，微处理器(35)接收发射脉冲能量监视器(32)，时间间隔测量器(33)，回波脉冲触发和回波数据采集器(34)的信号，处理后得到地表高度和压强信息；

系统工作时，所述的激光发射单元(1)向垂直地表方向发射两束脉冲激光，其波长为；来自地面的回波由接收单元(2)接收，将两个探测器接收到的信号发送至控制与数控采集处理单元(3)，控制与数控采集处理单元(3)对信号进行处理，得到地球表面压强和海拔的信息数据。

2.根据权利要求1所述的一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达，其特征在于，所述的探测波长激光器(15)的波长为759.89632nm。

3.根据权利要求1所述的一种探测地球表面压强和海拔的差分吸收激光雷达，其特征在于，所述的参考波长激光器(16)的波长为759.10nm。