一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110836982A(43)申请公布日2020.02.25(21)申请号201911032543.0(22)申请日2019.10.28(71)申请人北京空间机电研究所地址100076北京市丰台区南大红门路1号9201信箱5分箱(72)发明人王玉诏陶宇亮(74)专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人王卫军(51)Int.Cl.G01P5/26(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图1页(54)发明名称一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法(57)摘要一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法，属于激光遥感技术领域。本发明通过两颗卫星构建掩星探测链路，通过发射并接收波长可调谐激光获得大气吸收光谱，以时间为基准得到发射光谱与接收光谱的定量信息，再通过反演手段计算得到大气风速廓线信息。本发明通过激光波长调谐扫描技术，解决了高空大气风速高精度高垂直分辨廓线探测问题；通过优选激光波长，可以覆盖5km以上任意高度；通过控制激光发射能量，可以有效控制和提高探测信噪比和垂直分辨率；通过激光波长调谐扫描，可以在无高精度先验条件、无高精度稳频和控制的前提下自适应的完成运动多普勒频移补偿，有效降低系统研制复杂度和成本。CN110836982ACN110836982A权利要求书1/2页1.一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统，其特征在于：包括激光发射机(1)、激光接收机(2)和数据处理模块(3)；激光发射机(1)包括光谱激光器(4)、激光鉴频器(5)、发射计时器(6)和发射光学系统(7)；光谱激光器(4)发射波长调谐激光，波长调谐激光的第一部分进入激光鉴频器(5)，由激光鉴频器(5)测量波长调谐激光的波长及能量，并将测得的波长及能量发送至发射计时器(6)，由发射计时器(6)记录发射波长及能量对应的时刻，并将发射能量和时刻数据传输给数据处理模块(3)；波长调谐激光的第二部分进入发射光学系统(7)，经发射光学系统(7)后进入地球大气并最终到达激光接收机(2)；激光接收机(2)包括接收光学系统(8)、光电探测采样模块(9)和接收计时器(10)；接收光学系统(8)接收波长调谐激光的第二部分，然后将第二部分发送至光电探测采样模块(9)，由光电探测采样模块(9)测量接收到的激光的能量，把测得的能量发送至接收计时器(10)，并由接收计时器(10)记录下能量到达时刻，并将接收能量和时刻数据传输给数据处理模块(3)；数据处理模块(3)接收发射能量和时刻数据以及接收能量和时刻数据，计算掩星过程中光路与大气层切点高度上的风速，由不同切点高度上的风速构建风速廓线。2.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法，其特征在于：所述第一部分的能量占比不大于波长调谐激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。3.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法，其特征在于：所述波长调谐激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。4.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法，其特征在于：所述风速为其中，c为光速，Δλwi为风速导致的波长位移，λ0为接收光谱的吸收峰标准位置。5.根据权利要求4所述的一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统及方法，其特征在于：所述{Δλwi}＝{λxi-λ0}；其中，λxi为由{Pri(λsi-Δλdi-Δλci)}得到不同切点高度处的吸收峰位置，Pri为光谱激光接收能量数据列。6.根据权利要求1所述的一种基于可调谐激光的掩星大气风速廓线测量系统实现的掩星大气风速廓线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：光谱激光器(4)发射波长调谐激光，波长调谐激光的第一部分进入激光鉴频器(5)，由激光鉴频器(5)测量波长调谐激光的波长及能量，并将测得的波长及能量发送至发射计时器(6)，由发射计时器(6)记录发射波长及能量对应的时刻，并将发射波长、能量、时刻数据传输给数据处理模块(3)；波长调谐激光的第二部分进入发射光学系统(7)，经发射光学系统(7)后进入地球大气并最终到达激光接收机(2)；接收光学系统(8)接收波长调谐激光的第二部分，然后将第二部分发送至光电探测采样模块(9)，由光电探测采样模块(9)测量接收到的激光的能量，把测得的能量发送至接收计时器(10)，并由接收计时器(10)记录下能量到达时刻，并将接收能量和时刻数据传输给2CN110836982A权利要求书2/2页数据处理模块(3)；数据处理模块(3)接收发射波长、能量、时刻数据和接收能量和时刻数据，计算掩星过程中光路与大气层切点高度上的风速，由不同切点高度上的