一種星載海洋大氣參數(shù)激光雷達探測系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋大氣溫度、濕度、密度主動遙感探測領域，特別是一種星載海洋大氣參數(shù)激光雷達探測系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]海洋面積占地球表面總面積的71%左右，獲取與掌握海洋上空的大氣參數(shù)和氣候環(huán)境對于提高海洋大氣環(huán)境的認識與研宄來說極為重要。海洋大氣環(huán)境的主要參數(shù)包括溫度、濕度、密度等，這些參數(shù)對于研宄海洋上空氣象環(huán)境、氣候變迀、陸-海上空水汽傳輸、大氣運動等科學自然規(guī)律，以及提高海上作業(yè)及海洋上空飛機飛行等都具有重要意義。
[0003]常用的大氣探測遙感設備包括被動遙感設備和地基激光雷達，但是，被動遙感設備無法進行全天時全天候測量，探測精度低，無法獲得大氣的三維信息。而地基激光雷達受探測范圍的限制，無法對包含海洋上空的全球范圍內的大氣進行高精度探測。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明解決的技術問題是:克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種探測精度高、范圍大并能同時探測海洋上空的大氣溫度、濕度、密度參數(shù)分布的星載海洋大氣參數(shù)激光雷達探測系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的技術解決方案是:一種星載海洋大氣參數(shù)激光雷達探測系統(tǒng)，包括可調諧式激光器子系統(tǒng)、接收光學子系統(tǒng)、信號處理子系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，其中
[0006]控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，包括控制模塊與數(shù)據(jù)處理模塊；控制模塊將開機指令送至可調諧式激光器子系統(tǒng)，將電信號放大倍數(shù)、模數(shù)轉換參數(shù)送至信號處理子系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理模塊接收信號處理子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)字信號，使用差分吸收算法計算得到海洋大氣中氧氣和水汽的濃度，進而根據(jù)氣體狀態(tài)方程得到海洋大氣的溫度、濕度和密度；所述模數(shù)轉換參數(shù)包括模數(shù)轉換采樣率、模數(shù)轉換量化位數(shù)；
[0007]可調諧式激光器子系統(tǒng)，包括935nm激光發(fā)射器、761nm激光發(fā)射器；935nm激光發(fā)射器，接收控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中控制模塊發(fā)送的開機指令后，產(chǎn)生線寬為1.0pm的935nm的激光并照射至海洋上空的大氣；761nm激光發(fā)射器，接收控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中控制模塊發(fā)送的開機指令后，產(chǎn)生線寬為1.0pm的761nm的激光并照射至海洋上空的大氣;
[0008]接收光學子系統(tǒng)，包括光學望遠鏡、濾光分光系統(tǒng)；光學望遠鏡，接收935nm的激光與761nm的激光照射至海洋上空的大氣后產(chǎn)生的后向散射信號，并分別送至濾光分光系統(tǒng)；濾光分光系統(tǒng)，從935nm的激光與761nm的激光照射至大氣后產(chǎn)生的后向散射信號中分離出935nm波長的光信號與761nm波長的光信號，并分別送至信號處理子系統(tǒng)；
[0009]信號處理子系統(tǒng)，接收控制模塊發(fā)送的電信號放大倍數(shù)、模數(shù)轉換參數(shù)；接收濾光分光系統(tǒng)發(fā)送的935nm波長的光信號與761nm波長的光信號后分別進行光電轉換，得到對應的電信號后按照電信號放大倍數(shù)進行放大，然后按照模數(shù)轉換參數(shù)進行模數(shù)轉換得到其分別對應的數(shù)字信號，將數(shù)字信號送至控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。
[0010]所述的935nm激光發(fā)射器包括第一種子注入激光二極管、第一 Nd:YAG泵浦單元、第一 T1:SAPPIRE功率振蕩器、第一分束棱鏡、水蒸氣吸收池；第一種子注入激光二極管在接收控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中控制模塊發(fā)送的開機指令后，驅動第一 Nd:YAG泵浦單元產(chǎn)生激光波長935nm，脈寬500ns的脈沖激光并送至第一 Ti: SAPPI RE功率振蕩器，第一 Ti:SAPPIRE功率振蕩器接收脈沖激光后進行調節(jié)，得到波長為935nm，脈沖能量為100mJ，脈寬為500ns，脈沖發(fā)射間隔為400 μ s，譜寬為Ipm的脈沖激光，并通過第一分束棱鏡照射進入水蒸氣吸收池，水蒸氣吸收池接收脈沖激光后發(fā)生透射，如果該脈沖激光光強透過率為70% -90%,則第一 Ti: SAPPI RE功率振蕩器將將調節(jié)得到的脈沖激光照射至海洋上空的大氣，否則重新產(chǎn)生脈沖激光直至該脈沖激光通過水蒸氣吸收池的光強透過率為70% -90%后照射至海洋上空的大氣。
[0011]所述的761nm激光發(fā)射器包括第二種子注入激光二極管、第二 NchYAG泵浦單元、第二 T1:SAPPIRE功率振蕩器、第二分束棱鏡照、氧氣吸收池；第二種子注入激光二極管在接收控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)中控制模塊發(fā)送的開機指令后，驅動第二 Nd:YAG泵浦單元產(chǎn)生激光波長761nm，脈寬500ns的脈沖激光并送至第二 Ti: SAPPI RE功率振蕩器，第二Ti: SAPPI RE功率振蕩器接收脈沖激光后進行調節(jié)，得到波長為761nm，脈沖能量為100mJ，脈寬為500ns，脈沖發(fā)射間隔為400 μ s，譜寬為Ipm的脈沖激光，并通過第二分束棱鏡照射進入氧氣吸收池，氧氣吸收池接收脈沖激光后發(fā)生透射，如果該脈沖激光光強透過率為70% -90%,則第二 Ti: SAPPI RE功率振蕩器將將調節(jié)得到的脈沖激光照射至海洋上空的大氣，否則重新產(chǎn)生脈沖激光直至該脈沖激光通過氧氣吸收池的光強透過率為70% -90%后照射至海洋上空的大氣。
[0012]所述的光學望遠鏡口徑為1.5m的同軸型共光路卡塞格林天線結構。
[0013]所述的濾光分光系統(tǒng)采用窄帶濾光片與標準具組合的方式。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0015](I)本發(fā)明系統(tǒng)克服了被動遙感設備無法進行全天時全天候測量且探測精度低、不能獲得大氣的三維信息的不足，地基激光雷達受探測范圍的限制的不足，能夠同時大范圍的探測海洋上空的大氣溫度、濕度、密度參數(shù)分布；
[0016](2)本發(fā)明系統(tǒng)與現(xiàn)有技術相比，利用激光差分吸收技術對海洋大氣中氧氣和水汽等特征氣體進行測量，進而根據(jù)氣體狀態(tài)方程得到海洋大氣的溫度、濕度和密度的特征氣體進行測量，實現(xiàn)簡單方便；
[0017](3)本發(fā)明系統(tǒng)與現(xiàn)有技術相比，能夠大范圍的測量海洋大氣環(huán)境的溫度、濕度、密度等參數(shù)，對于研宄海洋上空氣象環(huán)境、氣候變迀、陸-海上空水汽傳輸、大氣運動等科學自然規(guī)律及提高海上作業(yè)及海洋上空飛機飛行等都具有重要意義。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明星載海洋大氣參數(shù)激光雷達探測系統(tǒng)；
[0019]圖2為本發(fā)明系統(tǒng)Nd = YAG泵浦鈦寶石激光器原理圖；
[0020]圖3為本發(fā)明系統(tǒng)935nm脈沖激光輸出方案示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明系統(tǒng)761nm脈沖激光輸出方案示意圖；
[0022]圖5為本發(fā)明系統(tǒng)光學分光接收系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明提出一種星載海洋大氣參數(shù)激光雷達探測系統(tǒng)，該激光雷達系統(tǒng)采用差分吸收原理測量大氣中氧氣和水汽的濃度，再利用氣體狀態(tài)方程，反演大氣的溫度、濕度和密度。本激光雷達系統(tǒng)由四部分組成，從左向右依次是可調諧式激光器子系統(tǒng)、接收光學子系統(tǒng)、信號處理子系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。可調諧激光器子系統(tǒng)在控制系統(tǒng)的控制下出射激光，激光與大氣中的氧氣和水汽分子相互作用，接收光學子系統(tǒng)接收大氣的后向散射回波信號，經(jīng)過信號處理子系統(tǒng)的放大、濾波、數(shù)字化等操作，將數(shù)據(jù)傳送至控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，進行后期數(shù)據(jù)處理，得到海洋大氣的溫度、濕度和密度。如圖1所示為星載海洋大氣溫度、濕度和密度探測激光雷達系統(tǒng)組成圖，
[0024]1、控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)
[0025]控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，包括控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊是直接內嵌至控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)界面中的程序，采用差分吸收算法計算出海洋大氣中氧氣和水汽的濃度，再結合氣體狀態(tài)方程反演出海洋大氣的溫度、濕度和密度?？刂颇K包括可調諧式激光器子系統(tǒng)的控制、光電探測器控制、數(shù)據(jù)采集模塊控制，控制激光器的開關機，光電探測器的放大倍數(shù)以及數(shù)據(jù)采集卡的采樣率和模數(shù)轉換量化位數(shù)。
[0026]實現(xiàn)星載海洋大氣溫度、濕度、密度探測激光雷達系統(tǒng)的基本功能是通過控制系統(tǒng)中的2個頂層模式和3個子模式來完成的。其中，2個頂層模式為準備模式(Standby)和工作模式(Operat1n)，三個子模式包括等待(Wait)、調諧(Tune)與數(shù)據(jù)獲取(Data)。工作流程是:系統(tǒng)加電后，進入到準備等待模式，在該模式中，激光器系統(tǒng)、光電探測系統(tǒng)等處于溫度穩(wěn)定階段。當激光雷達系統(tǒng)接到運行指令后，計入到工作模式狀態(tài)，這時調諧子模塊開始所要激光器輸出波長的掃描調諧工作，掃描分為粗調與精調過程，該過程完成后，轉入到信號處理子系統(tǒng)中，激光器開始發(fā)射激光測量信號，同時信號處理子系統(tǒng)根據(jù)預置的參數(shù)對激光回波信號進行接收、放大、濾波、模數(shù)轉換，再將數(shù)字信號送入控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的反演、存儲后激光器發(fā)射第二個脈沖信號，進行第二輪工作。
[0027]2、可調諧式激光器子系統(tǒng)
[0028]可調諧式激光器是工作在雙波長雙脈沖模式下的子系統(tǒng)，其中雙波長為935nm與761nm，脈沖能量為100mJ，脈寬為500ns，脈沖發(fā)射間隔為400 μ s,譜寬為1pm。該可調式激光器是由倍頻Nd:YAG作為泵浦激勵源與單模激光二極管作為種子注入所組成的系統(tǒng)。935nm激光發(fā)射器包括第一種子注入激光二極管、第一 Nd:YAG泵浦模塊、第一 Ti: SAPPI RE功率振蕩器、第一分束棱鏡照、水蒸氣(H2O)吸收池，761nm激光發(fā)射器包括第二種子注入激光二極管(LD)、第二 Nd:YAG泵浦模塊、第二 Ti:SAPPIRE (Ti IAl2O3)功率振蕩器、第二分束棱鏡照、氧氣(O2)吸收池，其中，935nm激光發(fā)射器與761nm激光發(fā)射器在激光雷達系統(tǒng)工作過程中，是通過接收控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)發(fā)出的指令同時工作。
[0029]I)Nd: YAG泵浦激光源
[0030]高功率半導體陣列激光器作為內腔倍頻NchYAG激光器的泵浦源，其內部結構如圖2所示。三組激光二極管條對稱地排列在Nd: YAG棒周圍，能夠均勻地泵浦激活介質。每組激光二極管條由4個功率為20W的激光二極管Bar條組成，激光二極管連續(xù)輸出，最高泵浦功率為240W。整個組件(包括激光二極管和Nd = YAG棒)由流動的冷卻水提供冷卻。
[0031]通過Nd = YAG激光晶體產(chǎn)生波長為1064nm的脈沖光。該脈沖激光先經(jīng)過光隔離模塊，該光隔離模塊的特性在于只允許特定傳播方向的激光傳輸，避免了 1064nm脈沖激光后向傳播對NchYAG晶體的損壞。然后依次經(jīng)過放大模塊1、放