一種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)及方法，該激光雷達(dá)由激光發(fā)射單元、接收單元、控制與數(shù)控采集處理單元組成。其中，激光發(fā)射單元在氧氣A帶譜線凹槽中選擇兩個(gè)特定的波長作為探測(cè)波長和參考波長，兩個(gè)激光波長相近。接收單元獲得地表脈沖回波，由脈沖發(fā)射至回波脈沖返回的時(shí)間間隔可推測(cè)海拔高度，由兩種波長激光的發(fā)射能量和回波能量的比值，可反演地表壓強(qiáng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：可同時(shí)探測(cè)地表壓強(qiáng)和海拔高度。
【專利說明】
一種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種空間激光雷達(dá)，可以探測(cè)自衛(wèi)星到星下點(diǎn)地球表面的距離，從而 獲知地表該點(diǎn)的海拔;本發(fā)明也涉及一種長光程差分吸收激光雷達(dá)探測(cè)地表大氣壓強(qiáng)，同 時(shí)獲得地表海拔和大氣壓強(qiáng)兩項(xiàng)指標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在與大氣動(dòng)力學(xué)有聯(lián)系的一系列大氣過程中，氣壓扮演了很重要的角色。例如氣 壓的水平梯度和地球自轉(zhuǎn)偏向力作為基本力作用于氣團(tuán)，用來推演出平衡風(fēng)，天氣模式通 常用氣壓等高圖來描述。如低氣壓、高氣壓、低壓槽、高壓脊、反氣旋、引入大氣模式。此外， 風(fēng)暴體制和鋒面是重要的天氣現(xiàn)象，并產(chǎn)生顯著的海-氣相互作用和地球邊界層(PBL)通 量。更好地確定風(fēng)，壓強(qiáng)，海面溫度，和鋒面位置，對(duì)這些尺度建模的改進(jìn)是必不可少的。對(duì) 模型精度的主要限制是輸入數(shù)據(jù)空間分布的稀疏性。
[0003] 海面大氣壓強(qiáng)數(shù)據(jù)在大面積的海洋和南半球是十分稀疏的。海洋熱帶低氣壓對(duì)我 國氣候影響甚大，由于海面氣象臺(tái)站的缺乏，比如我國東海海域、南海海域海面大氣壓強(qiáng)觀 測(cè)值就很缺乏。氣壓梯度分布數(shù)據(jù)對(duì)于精確預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)形成、登陸的方向、移動(dòng)軌跡十分有 利，減小政府決策中過度防備或防備不足帶來的損失。
[0004] 蒙古國和俄羅斯西伯利亞地區(qū)不是我國領(lǐng)土，我們無法在那里布置地面觀測(cè)臺(tái) 站，鄰國的地面觀測(cè)點(diǎn)也很稀疏，而那里的冷高壓對(duì)我國寒潮的形成很重要。
[0005] 我國新疆沙漠、青藏高原、極地地區(qū)環(huán)境條件差的廣大區(qū)域，難以保障地面觀測(cè)人 員長期居住。青藏高原地-氣耦合過程研究，青藏高原多尺度地形的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，青藏高原 大地形對(duì)大氣環(huán)流的影響，青藏高原動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)過程等研究，以及極地大氣環(huán)境研究， 都需要分布密集的大氣壓強(qiáng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0006] 固定氣象臺(tái)站，定期采用探空氣球來業(yè)務(wù)化探測(cè)大氣壓強(qiáng)，是當(dāng)前氣象業(yè)務(wù)部門 精度最高、數(shù)據(jù)最可靠的探測(cè)手段，這種手段仍是長期使用、不可替代的、最有效的探測(cè)手 段。然而航空管制部門對(duì)釋放探空氣球的時(shí)間有嚴(yán)格限制，不能允許全天時(shí)持續(xù)探測(cè)。
[0007] 我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)云系列衛(wèi)星的紅外遙感器大氣溫度探測(cè)以及微波輻射計(jì)大氣 濕度探測(cè)。然而到目前為止，對(duì)于大氣壓強(qiáng)，除了探空氣球上的壓強(qiáng)傳感器，我國還沒有遙 感儀器成功運(yùn)行。
[0008] 國際上在軌運(yùn)行也只有發(fā)射不久的如G0SAT衛(wèi)星上的TANS0-FTS儀器和0C0-2衛(wèi)星 的儀器，Envisat衛(wèi)星MERIS儀器，但是由于太陽天頂角的變化以及儀器光譜分辨率的限制， 其地球表面壓強(qiáng)探測(cè)精度還不滿足氣象預(yù)報(bào)的需要，況且晚上沒有太陽光亦不能工作，目 前還只是用來為遙感大氣二氧化碳?xì)怏w的柱濃度，提供氧氣參考數(shù)據(jù)。全球大氣研究計(jì)劃 (Global Atmospheric Research Program)要求地球表面氣壓遙感測(cè)量精度達(dá)到0.3%。
[0009] 差分吸收激光高度計(jì)的激光脈沖，用地面硬目標(biāo)反射信號(hào)而不是大氣后向散射， 所需要的發(fā)射激光功率相比起來小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，得到地表大氣壓強(qiáng)也不是壓強(qiáng)廓線。這不 是一個(gè)重大的犧牲，知道了地表壓強(qiáng)數(shù)值以后，我們就能夠從衛(wèi)星測(cè)量溫度廓線由靜力學(xué) 方程得到大氣壓強(qiáng)垂直廓線。差分吸收激光高度計(jì)若能隨衛(wèi)星繞行，對(duì)地球表面大氣壓強(qiáng) 遙感數(shù)據(jù)的覆蓋范圍和密度大大增加了。
[0010]采用激光高度計(jì)的工作模式，測(cè)量激光器脈沖穿過空氣柱的大氣吸收率和脈沖飛 行時(shí)間。不僅可以獲得地表壓強(qiáng)，還可以同時(shí)得到海拔高度，能夠區(qū)分出云和地面的反射 (可以分出是云頂大氣壓強(qiáng)還是地球表面壓強(qiáng)），這樣對(duì)氣象應(yīng)用也更有意義。
[0011 ]大氣介質(zhì)是一種隨機(jī)介質(zhì)，描述和表達(dá)大氣的變化過程十分困難。把差分吸收技 術(shù)應(yīng)用于激光探測(cè)過程，即同時(shí)發(fā)射兩種光束，一種光束稱之為探測(cè)光束，另一光束稱之為 參考光束，它們照射地表的光斑重合;兩種光束經(jīng)過大氣返回之后比對(duì)，將其他難以計(jì)算的 大氣效應(yīng)都差分消掉，從而凸顯大氣壓強(qiáng)變化引起的光譜吸收的差別，這些都是本發(fā)明的 由來。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是提供一種服務(wù)于同時(shí)探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的空間差分吸收 激光雷達(dá)及數(shù)據(jù)處理方法。該空間差分激光雷達(dá)由激光發(fā)射單元、接收單元、控制與數(shù)控采 集處理單元組成。其中發(fā)射激光的輸出評(píng)論采用主動(dòng)穩(wěn)頻，接受單元通過偏振分束分別得 到探測(cè)波長和參考波長的地表回波，控制與數(shù)控采集處理單元通過處理發(fā)射脈沖能量監(jiān)視 器，時(shí)間間隔測(cè)量器，回波脈沖觸發(fā)和回波數(shù)據(jù)采集器的信號(hào)，最后得到地表高度和壓強(qiáng)信 息。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0014] 1、結(jié)構(gòu)
[0015] -種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)由激光發(fā)射單元1、接收單元 2、控制與數(shù)控采集處理單元3組成；
[0016] 所述的激光發(fā)射單元1包括第二反射鏡11，偏振合束器12,第一反射鏡13,波長監(jiān) 視器14,探測(cè)波長激光器15,參考波長激光器16,諧振腔腔長壓電控制器17,栗浦激光器18， 探測(cè)波長種子激光器19，參考波長種子激光器110;
[0017] 所述的栗浦激光器18栗浦探測(cè)波長激光器15和參考波長激光器16,這兩臺(tái)激光器 的波長分別由探測(cè)波長種子激光器19和參考波長種子激光器110控制;探測(cè)波長激光器15 部分光進(jìn)入波長監(jiān)視器14,并通過諧振腔腔長壓電控制器17穩(wěn)定探測(cè)波長激光器15輸出的 激光波長;參考波長激光器16出射的光經(jīng)過第一反射鏡13達(dá)到偏振合束器12與探測(cè)波長激 光器15出射的光合為一束光后經(jīng)由第二反射鏡11豎直射向地球表面;參考波長激光器16有 部分光進(jìn)入發(fā)射脈沖觸發(fā)器31和發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器32,探測(cè)波長激光器15有部分光進(jìn)入 發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器32;
[0018]所述的接收單元2包括星上望遠(yuǎn)鏡21，透鏡22，窄帶濾光片23，偏振分束器24，第三 反射鏡25,第一光探測(cè)器26,第二光探測(cè)器27;接收單元2中的星上望遠(yuǎn)鏡21接收地表反射 的脈沖能量回波信號(hào)通過透鏡22和窄帶濾光片23后經(jīng)過偏振分束器24后一路光直接進(jìn)入 第一光探測(cè)器26，另一束光經(jīng)過第三反射鏡25進(jìn)入第二光探測(cè)器27;
[0019]所述的控制與數(shù)控采集處理單元3包括發(fā)射脈沖觸發(fā)器31，發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器 32,時(shí)間間隔測(cè)量器33,回波脈沖觸發(fā)和回波數(shù)據(jù)采集器34,微處理器35;時(shí)間間隔測(cè)量器 33從發(fā)射脈沖觸發(fā)器31和回波脈沖觸發(fā)和回波數(shù)據(jù)采集器34的觸發(fā)得到時(shí)間間隔，微處理 器35接收發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器32,時(shí)間間隔測(cè)量器33,回波脈沖觸發(fā)和回波數(shù)據(jù)采集器34 的信號(hào)，處理后得到地表高度和壓強(qiáng)信息；
[0020] 系統(tǒng)工作時(shí)，所述的激光發(fā)射單元1向垂直地表方向發(fā)射兩束脈沖激光，其波長 為;來自地面的回波由接收單元2接收，將兩個(gè)探測(cè)器接收到的信號(hào)發(fā)送至控制與數(shù)控采集 處理單元3,控制與數(shù)控采集處理單元3對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，得到地球表面壓強(qiáng)和海拔的信息 數(shù)據(jù)。
[0021] 所述的探測(cè)波長激光器15的波長為759.89632nm。
[0022]所述的參考波長激光器16的波長為759.10nm。
[0023] 一種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理方法方法如下： [0024]由接收單元2獲得信號(hào)數(shù)據(jù)，其中第一探測(cè)器26信號(hào)E〇n(R)，第二探測(cè)器27信號(hào)Eoff 〇〇，發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器32信號(hào)￡。"(0)么打(0)，時(shí)間間隔測(cè)量器33信號(hào)丨，地球表面壓強(qiáng)口0 由公式(1)求出：
[0026]其中C為常數(shù)，由定標(biāo)確定;同時(shí)海拔數(shù)據(jù)R由公式2求出：
[0028] C為光速。
[0029]據(jù)此本發(fā)明提出一種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)，本發(fā)明的有 點(diǎn)在于:可以同時(shí)探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔，提供比紅外被動(dòng)探測(cè)更有意義的氣象數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0030] 圖1為空間差分吸收激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中：1激光發(fā)射單元、2接收單元、3 控制與數(shù)控采集處理單元。
[0031] 圖2為空間差分吸收激光雷達(dá)的具體結(jié)構(gòu)示意圖。其中11第二反射鏡，12偏振合束 器，13第一反射鏡，14波長監(jiān)視器，15探測(cè)波長激光器，16參考波長激光器，17諧振腔腔長壓 電控制器，18栗浦激光器，19探測(cè)波長種子激光器，110參考波長種子激光器；21星上望遠(yuǎn) 鏡，22透鏡，23窄帶濾光片，24偏振分束器，25第三反射鏡，26第一光探測(cè)器，27第二光探測(cè) 器;31發(fā)射脈沖觸發(fā)器，32發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器，33時(shí)間間隔測(cè)量器33，34回波脈沖觸發(fā)和 回波數(shù)據(jù)采集器，35微處理器。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0033] -種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)由激光發(fā)射單元1、接收單元 2、控制與數(shù)控采集處理單元3組成；
[0034]其中，激光發(fā)射單元1由第二反射鏡11，偏振合束器12,第一反射鏡13,波長監(jiān)視器 14,探測(cè)波長激光器15,參考波長激光器16,諧振腔腔長壓電控制器17,栗浦激光器18,探測(cè) 波長種子激光器19,參考波長種子激光器110組成;栗浦激光器18栗浦探測(cè)波長激光器15和 參考波長激光器16,這兩臺(tái)激光器的波長分別由探測(cè)波長種子激光器19和參考波長種子激 光器110控制;探測(cè)波長激光器15部分光進(jìn)入波長監(jiān)視器14,并通過諧振腔腔長壓電控制器 17穩(wěn)定探測(cè)波長激光器15輸出的激光波長;參考波長激光器16出射的光經(jīng)過第一反射鏡13 達(dá)到偏振合束器12與探測(cè)波長激光器15出射的光合為一束光后經(jīng)由第二反射鏡11豎直射 向地球表面;參考波長激光器16有部分光進(jìn)入發(fā)射脈沖觸發(fā)器31和發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器 32,探測(cè)波長激光器15有部分光進(jìn)入發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器32;
[0035]接收單元2由星上望遠(yuǎn)鏡21，透鏡22,窄帶濾光片23,偏振分束片24,第三反射鏡 25，第一光探測(cè)器26，第二光探測(cè)器27組成;接收單元2中的星上望遠(yuǎn)鏡21接收地表反射的 脈沖能量回波信號(hào)通過透鏡22和窄帶濾光片23后經(jīng)過偏振分束片24后一路光直接進(jìn)入第 一光探測(cè)器26，另一束光經(jīng)過第三反射鏡25進(jìn)入第二光探測(cè)器27，第一光探測(cè)器26和第二 光探測(cè)器27的輸出端分別連接到控制與數(shù)控采集處理單元3的輸入端；
[0036]控制與數(shù)控采集處理單元3由發(fā)射脈沖觸發(fā)器31，發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器32，時(shí)間間 隔測(cè)量器33,回波脈沖觸發(fā)和回波數(shù)據(jù)采集器34,微處理器35組成;微處理器35)接收發(fā)射 脈沖能量監(jiān)視器32，時(shí)間間隔測(cè)量器33，回波脈沖觸發(fā)和回波數(shù)據(jù)采集器34的信號(hào)，處理后 得到高度和壓強(qiáng)信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)，包括激光發(fā)射單元（1)、接收單 元(2 )、控制與數(shù)控采集處理單元(3 )，其特征在于： 所述的激光發(fā)射單元（1)包括第二反射鏡（11)，偏振合束器（12)，第一反射鏡（13)，波 長監(jiān)視器（14)，探測(cè)波長激光器（15)，參考波長激光器（16)，諧振腔腔長壓電控制器（17)， 栗浦激光器(18)，探測(cè)波長種子激光器(19)，參考波長種子激光器(110); 所述的栗浦激光器（18)栗浦探測(cè)波長激光器（15)和參考波長激光器（16)，這兩臺(tái)激光 器的波長分別由探測(cè)波長種子激光器（19)和參考波長種子激光器（110)控制;探測(cè)波長激 光器（15)部分光進(jìn)入波長監(jiān)視器（14)，并通過諧振腔腔長壓電控制器（17)穩(wěn)定探測(cè)波長激 光器(15)輸出的激光波長;參考波長激光器(16)出射的光經(jīng)過第一反射鏡（13)達(dá)到偏振合 束器（12)與探測(cè)波長激光器（15)出射的光合為一束光后經(jīng)由第二反射鏡（11)豎直射向地 球表面;參考波長激光器（16)有部分光進(jìn)入發(fā)射脈沖觸發(fā)器(31)和發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器 (32)，探測(cè)波長激光器(15)有部分光進(jìn)入發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器(32); 所述的接收單元（2)包括星上望遠(yuǎn)鏡（21)，透鏡（22)，窄帶濾光片（23)，偏振分束器 (24)，第三反射鏡(25)，第一光探測(cè)器(26)，第二光探測(cè)器(27);接收單元(2)中的星上望遠(yuǎn) 鏡(21)接收地表反射的脈沖能量回波信號(hào)通過透鏡(22)和窄帶濾光片（23)后經(jīng)過偏振分 束器(24)后一路光直接進(jìn)入第一光探測(cè)器(26)，另一束光經(jīng)過第三反射鏡(25)進(jìn)入第二光 探測(cè)器(27); 所述的控制與數(shù)控采集處理單元(3)包括發(fā)射脈沖觸發(fā)器(31)，發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器 (32)，時(shí)間間隔測(cè)量器(33)，回波脈沖觸發(fā)和回波數(shù)據(jù)采集器(34)，微處理器(35);時(shí)間間 隔測(cè)量器(33)從發(fā)射脈沖觸發(fā)器(31)和回波脈沖觸發(fā)和回波數(shù)據(jù)采集器(34)的觸發(fā)得到 時(shí)間間隔，微處理器(35)接收發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器(32)，時(shí)間間隔測(cè)量器(33)，回波脈沖觸 發(fā)和回波數(shù)據(jù)采集器(34)的信號(hào)，處理后得到地表高度和壓強(qiáng)信息； 系統(tǒng)工作時(shí)，所述的激光發(fā)射單元（1)向垂直地表方向發(fā)射兩束脈沖激光，其波長為； 來自地面的回波由接收單元(2)接收，將兩個(gè)探測(cè)器接收到的信號(hào)發(fā)送至控制與數(shù)控采集 處理單元(3)，控制與數(shù)控采集處理單元(3)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，得到地球表面壓強(qiáng)和海拔的 信息數(shù)據(jù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)，其特征 在于，所述的探測(cè)波長激光器(15)的波長為759.89632nm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)，其特征 在于，所述的參考波長激光器(16)的波長為759.10nm。4. 一種基于權(quán)利要求1所述的一種探測(cè)地球表面壓強(qiáng)和海拔的差分吸收激光雷達(dá)的數(shù) 據(jù)處理方法，其特征在于方法如下： 由接收單元(2)獲得信號(hào)數(shù)據(jù)，其中第一探測(cè)器(26)信號(hào)E〇n(R)，第二探測(cè)器(27)信號(hào) 匕打(1〇，發(fā)射脈沖能量監(jiān)視器(32)信號(hào)￡。11(0)，匕打(0)，時(shí)間間隔測(cè)量器(33)信號(hào)丨，地球表 面壓強(qiáng)po數(shù)據(jù)由公式（1)求出：其中常數(shù)C由定標(biāo)確定；同時(shí)海拔數(shù)據(jù)R由公式(2)求出：C為光速D
【文檔編號(hào)】G01S17/95GK106054210SQ201610538893
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】洪光烈, 舒嶸, 王欽
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所