CN104865580B - 一种星载海洋大气参数激光雷达探测*** - Google Patents

一种星载海洋大气参数激光雷达探测*** Download PDF

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Abstract

一种星载海洋大气参数激光雷达探测***，包括可调谐式激光器子***、接收光学子***、信号处理子***、控制与数据处理子***；可调谐式激光器子***产生935nm、761nm激光并照射至海洋上空的大气，接收光学子***从激光照射至大气后产生的后向散射信号中分离出两种波长的光信号，信号处理子***对光信号进行光电转换、放大和模数转换，控制与数据处理子***根据信号处理子***发送的数字信号计算得到海洋大气的温度、湿度和密度。本发明与现有技术相比，能够大范围的探测海洋上空的大气温度、湿度、密度参数分布，对研究海洋上空气象环境、气候变迁、陆‑海上空水汽传输、大气运动等科学自然规律及提高海上作业及海洋上空飞机飞行等都具有重要意义。

Description

一种星载海洋大气参数激光雷达探测***
技术领域
本发明涉及海洋大气温度、湿度、密度主动遥感探测领域，特别是一种星载海洋大气参数激光雷达探测***。
背景技术
海洋面积占地球表面总面积的71％左右，获取与掌握海洋上空的大气参数和气候环境对于提高海洋大气环境的认识与研究来说极为重要。海洋大气环境的主要参数包括温度、湿度、密度等，这些参数对于研究海洋上空气象环境、气候变迁、陆-海上空水汽传输、大气运动等科学自然规律，以及提高海上作业及海洋上空飞机飞行等都具有重要意义。
常用的大气探测遥感设备包括被动遥感设备和地基激光雷达，但是，被动遥感设备无法进行全天时全天候测量，探测精度低，无法获得大气的三维信息。而地基激光雷达受探测范围的限制，无法对包含海洋上空的全球范围内的大气进行高精度探测。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种探测精度高、范围大并能同时探测海洋上空的大气温度、湿度、密度参数分布的星载海洋大气参数激光雷达探测***。
本发明的技术解决方案是：一种星载海洋大气参数激光雷达探测***，包括可调谐式激光器子***、接收光学子***、信号处理子***、控制与数据处理子***，其中
控制与数据处理子***，包括控制模块与数据处理模块；控制模块将开机指令送至可调谐式激光器子***，将电信号放大倍数、模数转换参数送至信号处理子***；数据处理模块接收信号处理子***发送的数字信号，使用差分吸收算法计算得到海洋大气中氧气和水汽的浓度，进而根据气体状态方程得到海洋大气的温度、湿度和密度；所述模数转换参数包括模数转换采样率、模数转换量化位数；
可调谐式激光器子***，包括935nm激光发射器、761nm激光发射器；935nm激光发射器，接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，产生线宽为1.0pm的935nm的激光并照射至海洋上空的大气；761nm激光发射器，接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，产生线宽为1.0pm的761nm的激光并照射至海洋上空的大气；
接收光学子***，包括光学望远镜、滤光分光***；光学望远镜，接收935nm的激光与761nm的激光照射至海洋上空的大气后产生的后向散射信号，并分别送至滤光分光***；滤光分光***，从935nm的激光与761nm的激光照射至大气后产生的后向散射信号中分离出935nm波长的光信号与761nm波长的光信号，并分别送至信号处理子***；
信号处理子***，接收控制模块发送的电信号放大倍数、模数转换参数；接收滤光分光***发送的935nm波长的光信号与761nm波长的光信号后分别进行光电转换，得到对应的电信号后按照电信号放大倍数进行放大，然后按照模数转换参数进行模数转换得到其分别对应的数字信号，将数字信号送至控制与数据处理子***。
所述的935nm激光发射器包括第一种子注入激光二极管、第一Nd：YAG泵浦单元、第一Ti：SAPPIRE功率振荡器、第一分束棱镜、水蒸气吸收池；第一种子注入激光二极管在接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，驱动第一Nd：YAG泵浦单元产生激光波长935nm，脉宽500ns的脉冲激光并送至第一Ti：SAPPIRE功率振荡器，第一Ti：SAPPIRE功率振荡器接收脉冲激光后进行调节，得到波长为935nm，脉冲能量为100mJ，脉宽为500ns，脉冲发射间隔为400μs，谱宽为1pm的脉冲激光，并通过第一分束棱镜照射进入水蒸气吸收池，水蒸气吸收池接收脉冲激光后发生透射，如果该脉冲激光光强透过率为70％-90％，则第一Ti：SAPPIRE功率振荡器将将调节得到的脉冲激光照射至海洋上空的大气，否则重新产生脉冲激光直至该脉冲激光通过水蒸气吸收池的光强透过率为70％-90％后照射至海洋上空的大气。
所述的761nm激光发射器包括第二种子注入激光二极管、第二Nd：YAG泵浦单元、第二Ti：SAPPIRE功率振荡器、第二分束棱镜照、氧气吸收池；第二种子注入激光二极管在接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，驱动第二Nd：YAG泵浦单元产生激光波长761nm，脉宽500ns的脉冲激光并送至第二Ti：SAPPIRE功率振荡器，第二Ti：SAPPIRE功率振荡器接收脉冲激光后进行调节，得到波长为761nm，脉冲能量为100mJ，脉宽为500ns，脉冲发射间隔为400μs，谱宽为1pm的脉冲激光，并通过第二分束棱镜照射进入氧气吸收池，氧气吸收池接收脉冲激光后发生透射，如果该脉冲激光光强透过率为70％-90％，则第二Ti：SAPPIRE功率振荡器将将调节得到的脉冲激光照射至海洋上空的大气，否则重新产生脉冲激光直至该脉冲激光通过氧气吸收池的光强透过率为70％-90％后照射至海洋上空的大气。
所述的光学望远镜口径为1.5m的同轴型共光路卡塞格林天线结构。
所述的滤光分光***采用窄带滤光片与标准具组合的方式。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明***克服了被动遥感设备无法进行全天时全天候测量且探测精度低、不能获得大气的三维信息的不足，地基激光雷达受探测范围的限制的不足，能够同时大范围的探测海洋上空的大气温度、湿度、密度参数分布；
(2)本发明***与现有技术相比，利用激光差分吸收技术对海洋大气中氧气和水汽等特征气体进行测量，进而根据气体状态方程得到海洋大气的温度、湿度和密度的特征气体进行测量，实现简单方便；
(3)本发明***与现有技术相比，能够大范围的测量海洋大气环境的温度、湿度、密度等参数，对于研究海洋上空气象环境、气候变迁、陆-海上空水汽传输、大气运动等科学自然规律及提高海上作业及海洋上空飞机飞行等都具有重要意义。
附图说明
图1为本发明星载海洋大气参数激光雷达探测***；
图2为本发明***Nd:YAG泵浦钛宝石激光器原理图；
图3为本发明***935nm脉冲激光输出方案示意图；
图4为本发明***761nm脉冲激光输出方案示意图；
图5为本发明***光学分光接收***示意图。
具体实施方式
本发明提出一种星载海洋大气参数激光雷达探测***，该激光雷达***采用差分吸收原理测量大气中氧气和水汽的浓度，再利用气体状态方程，反演大气的温度、湿度和密度。本激光雷达***由四部分组成，从左向右依次是可调谐式激光器子***、接收光学子***、信号处理子***、控制与数据处理子***。可调谐激光器子***在控制***的控制下出射激光，激光与大气中的氧气和水汽分子相互作用，接收光学子***接收大气的后向散射回波信号，经过信号处理子***的放大、滤波、数字化等操作，将数据传送至控制与数据处理子***，进行后期数据处理，得到海洋大气的温度、湿度和密度。如图1所示为星载海洋大气温度、湿度和密度探测激光雷达***组成图，
1、控制与数据处理子***
控制与数据处理子***，包括控制模块和数据处理模块；数据处理模块是直接内嵌至控制与数据处理子***界面中的程序，采用差分吸收算法计算出海洋大气中氧气和水汽的浓度，再结合气体状态方程反演出海洋大气的温度、湿度和密度。控制模块包括可调谐式激光器子***的控制、光电探测器控制、数据采集模块控制，控制激光器的开关机，光电探测器的放大倍数以及数据采集卡的采样率和模数转换量化位数。
实现星载海洋大气温度、湿度、密度探测激光雷达***的基本功能是通过控制***中的2个顶层模式和3个子模式来完成的。其中，2个顶层模式为准备模式(Standby)和工作模式(Operation)，三个子模式包括等待(Wait)、调谐(Tune)与数据获取(Data)。工作流程是：***加电后，进入到准备等待模式，在该模式中，激光器***、光电探测***等处于温度稳定阶段。当激光雷达***接到运行指令后，计入到工作模式状态，这时调谐子模块开始所要激光器输出波长的扫描调谐工作，扫描分为粗调与精调过程，该过程完成后，转入到信号处理子***中，激光器开始发射激光测量信号，同时信号处理子***根据预置的参数对激光回波信号进行接收、放大、滤波、模数转换，再将数字信号送入控制与数据处理子***，控制与数据处理子***完成数据的反演、存储后激光器发射第二个脉冲信号，进行第二轮工作。
2、可调谐式激光器子***
可调谐式激光器是工作在双波长双脉冲模式下的子***，其中双波长为935nm与761nm，脉冲能量为100mJ，脉宽为500ns，脉冲发射间隔为400μs,谱宽为1pm。该可调式激光器是由倍频Nd:YAG作为泵浦激励源与单模激光二极管作为种子注入所组成的***。935nm激光发射器包括第一种子注入激光二极管、第一Nd：YAG泵浦模块、第一Ti：SAPPIRE功率振荡器、第一分束棱镜照、水蒸气(H2O)吸收池，761nm激光发射器包括第二种子注入激光二极管(LD)、第二Nd：YAG泵浦模块、第二Ti：SAPPIRE(Ti:Al2O3)功率振荡器、第二分束棱镜照、氧气(O2)吸收池，其中，935nm激光发射器与761nm激光发射器在激光雷达***工作过程中，是通过接收控制与数据处理子***发出的指令同时工作。
1)Nd:YAG泵浦激光源
高功率半导体阵列激光器作为内腔倍频Nd：YAG激光器的泵浦源，其内部结构如图2所示。三组激光二极管条对称地排列在Nd:YAG棒周围，能够均匀地泵浦激活介质。每组激光二极管条由4个功率为20W的激光二极管Bar条组成，激光二极管连续输出，最高泵浦功率为240W。整个组件(包括激光二极管和Nd:YAG棒)由流动的冷却水提供冷却。
通过Nd:YAG激光晶体产生波长为1064nm的脉冲光。该脉冲激光先经过光隔离模块，该光隔离模块的特性在于只允许特定传播方向的激光传输，避免了1064nm脉冲激光后向传播对Nd:YAG晶体的损坏。然后依次经过放大模块1、放大模块2、反射镜M1，二倍频模块CDA后，产生出单脉冲能量为1.4J，重复频率为5Hz，波长为532nm的激光信号。该脉冲激光信号作为Ti：SAPPIRE(Ti:Al2O3)功率振荡器的输入泵浦信号将注入到功率振荡器***中。
2)Ti：SAPPIRE(Ti:Al2O3)功率振荡器
在图3与图4中，Ti：SAPPIRE(Ti:Al2O3)功率振荡器是一个非稳定谐振腔结构，该谐振腔的腔长为1.5m。该谐振腔由阶跃反射输出镜(GRM)、反射率为97％的平面反射镜(HR)、四层双折射滤光片(BRF)、全息角反射器(HRR)、平面反射镜(M)、分束镜(BS)等元件组成。谐振腔中的Ti:Al2O3晶体棒两端斜面与其精光晶体广州方向夹角为布儒斯特角，激光晶体长度为18mm。
3)激光波长调谐控制
Ti：SAPPIRE(Ti:Al2O3)激光晶体输出波长的精细调节是通过控制作为谐振腔种子注入的激光二极管的输出波长来实现的。具体方法是：激光二极管连续输出100mW激光，并通过高反射镜(HR)注入到谐振腔中的激光约为1mW。种子注入技术可以将光谱宽度控制在1.0pm，并可将波长稳定度控制在±0.25pm左右。
4)光谱纯度与脉冲对输出控制
在图3与图4中，可调谐式激光器子***的光谱纯度通过测量激光发射脉冲照射到传播长度为200m的水蒸气容器的透射强度比来实现的。具体实施方式是：通过光电二极管探测透射光强，二极管的输出波长即被锁定到水蒸气的某一个固定吸收谱线上。同时，二极管输出的温度与电流信号均会反映了激光波长特征的变化。当激光雷达***工作时，通过控制二极管外部温度与电流信号，即可实现针对于特定波长的脉冲对激光信号的产生。
第一种子注入激光二极管在接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，驱动第一Nd：YAG泵浦单元产生激光波长935nm，脉宽500ns的脉冲激光并送至Ti：SAPPIRE功率振荡器，第一Ti：SAPPIRE功率振荡器接收脉冲激光后进行调节，得到波长为935nm，脉冲能量为100mJ，脉宽为500ns，脉冲发射间隔为400μs，谱宽为1pm的脉冲激光，并通过分束比为90(透射):10(反射)的第一分束棱镜照射进入H2O吸收池，H2O吸收池接收脉冲激光后发生透射，如果该脉冲激光光强透过率为70％-90％，则第一Ti：SAPPIRE功率振荡器将将调节得到的脉冲激光照射至海洋上空的大气，否则重新产生脉冲激光直至该脉冲激光通过H2O吸收池的光强透过率为70％-90％后照射至海洋上空的大气。
第二种子注入激光二极管在接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，驱动第二Nd：YAG泵浦单元产生激光波长761nm，脉宽500ns的脉冲激光并送至Ti：SAPPIRE功率振荡器，第二Ti：SAPPIRE功率振荡器接收脉冲激光后进行调节，得到波长为761nm，脉冲能量为100mJ，脉宽为500ns，脉冲发射间隔为400μs，谱宽为1pm的脉冲激光，并通过分束比为90(透射):10(反射)的第二分束棱镜照射进入氧气吸收池，氧气吸收池接收脉冲激光后发生透射，如果该脉冲激光光强透过率为70％-90％，则第二Ti：SAPPIRE功率振荡器将将调节得到的脉冲激光照射至海洋上空的大气，否则重新产生脉冲激光直至该脉冲激光通过氧气吸收池的光强透过率为70％-90％后照射至海洋上空的大气。
3、接收光学子***
星载海洋大气温度、密度与湿度探测差分吸收激光雷达的接收望远镜采用口径为1.5m同轴型共光路卡塞格林光学天线结构。其中望远镜***由主镜和次镜组成，这样大口径抛物面型主镜的加工难度能相对降低，其误差能通过口径较小的次镜进行一定程度的补偿，使望远镜焦点处的弥散斑明显减小。此外，该种设计能使望远镜的体积大大减小，并能以较小视场接收回波信号，这对于背景干扰光的抑制具有明显作用。
经过光学天线接收望远镜的激光回波信号，按照如下图5所示的光学分光路径实现光电转换前预处理，该方案所阐述的接收光学由两路输出通道组成，通过不同增益的APD型Si探测器实现大动态范围激光回波信号探测的目的。滤光***采用窄带滤光片与标准具结合的方式，以抑制背景光的干扰。
4、信号处理子***
对于海洋大气温度、密度、湿度差分吸收激光雷达的信号处理子***，主要完成回波信号的光电转换，放大、滤波和模数转换。其中，探测模块采用高灵敏度低噪声探测器；带宽匹配、高放大倍数信号功率放大器；数据采集模块采用高精度、高速数据采集器及实时信号处理电路等元部件进行设计实现，确保激光雷达电子学部分的高灵敏性、高稳定性和高可靠性。
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 (5)

1.一种星载海洋大气参数激光雷达探测***，其特征在于包括可调谐式激光器子***、接收光学子***、信号处理子***、控制与数据处理子***，其中
控制与数据处理子***，包括控制模块与数据处理模块；控制模块将开机指令送至可调谐式激光器子***，将电信号放大倍数、模数转换参数送至信号处理子***；数据处理模块接收信号处理子***发送的数字信号，使用差分吸收算法计算得到海洋大气中氧气和水汽的浓度，进而根据气体状态方程得到海洋大气的温度、湿度和密度；所述模数转换参数包括模数转换采样率、模数转换量化位数；
可调谐式激光器子***，包括935nm激光发射器、761nm激光发射器；935nm激光发射器，接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，产生线宽为1.0pm的935nm的激光并照射至海洋上空的大气；761nm激光发射器，接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，产生线宽为1.0pm的761nm的激光并照射至海洋上空的大气；
接收光学子***，包括光学望远镜、滤光分光***；光学望远镜，接收935nm的激光与761nm的激光照射至海洋上空的大气后产生的后向散射信号，并分别送至滤光分光***；滤光分光***，从935nm的激光与761nm的激光照射至大气后产生的后向散射信号中分离出935nm波长的光信号与761nm波长的光信号，并分别送至信号处理子***；
信号处理子***，接收控制模块发送的电信号放大倍数、模数转换参数；接收滤光分光***发送的935nm波长的光信号与761nm波长的光信号后分别经过不同增益的APD型Si探测器，然后分别进行光电转换，得到对应的电信号后按照电信号放大倍数进行放大，然后按照模数转换参数进行模数转换得到其分别对应的数字信号，将数字信号送至控制与数据处理子***。
2.根据权利要求1所述的一种星载海洋大气参数激光雷达探测***，其特征在于：所述的935nm激光发射器包括第一种子注入激光二极管、第一Nd：YAG泵浦单元、第一Ti：SAPPIRE功率振荡器、第一分束棱镜、水蒸气吸收池；第一种子注入激光二极管在接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，驱动第一Nd：YAG泵浦单元产生激光波长935nm，脉宽500ns的脉冲激光并送至第一Ti：SAPPIRE功率振荡器，第一Ti：SAPPIRE功率振荡器接收脉冲激光后进行调节，得到波长为935nm，脉冲能量为100mJ，脉宽为500ns，脉冲发射间隔为400μs，谱宽为1pm的脉冲激光，并通过第一分束棱镜照射进入水蒸气吸收池，水蒸气吸收池接收脉冲激光后发生透射，如果该脉冲激光光强透过率为70％-90％，则第一Ti：SAPPIRE功率振荡器将将调节得到的脉冲激光照射至海洋上空的大气，否则重新产生脉冲激光直至该脉冲激光通过水蒸气吸收池的光强透过率为70％-90％后照射至海洋上空的大气。
3.根据权利要求1或2所述的一种星载海洋大气参数激光雷达探测***，其特征在于：所述的761nm激光发射器包括第二种子注入激光二极管、第二Nd：YAG泵浦单元、第二Ti：SAPPIRE功率振荡器、第二分束棱镜照、氧气吸收池；第二种子注入激光二极管在接收控制与数据处理子***中控制模块发送的开机指令后，驱动第二Nd：YAG泵浦单元产生激光波长761nm，脉宽500ns的脉冲激光并送至第二Ti：SAPPIRE功率振荡器，第二Ti：SAPPIRE功率振荡器接收脉冲激光后进行调节，得到波长为761nm，脉冲能量为100mJ，脉宽为500ns，脉冲发射间隔为400μs，谱宽为1pm的脉冲激光，并通过第二分束棱镜照射进入氧气吸收池，氧气吸收池接收脉冲激光后发生透射，如果该脉冲激光光强透过率为70％-90％，则第二Ti：SAPPIRE功率振荡器将将调节得到的脉冲激光照射至海洋上空的大气，否则重新产生脉冲激光直至该脉冲激光通过氧气吸收池的光强透过率为70％-90％后照射至海洋上空的大气。
4.根据权利要求1或2所述的一种星载海洋大气参数激光雷达探测***，其特征在于：所述的光学望远镜口径为1.5m的同轴型共光路卡塞格林天线结构。
5.根据权利要求1或2所述的一种星载海洋大气参数激光雷达探测***，其特征在于：所述的滤光分光***采用窄带滤光片与标准具组合的方式。
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