本發(fā)明涉及大氣激光雷達(dá)，特別涉及一種用于中層大氣觀測的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、中層大氣在基礎(chǔ)科學(xué)、氣候環(huán)境、國防軍事等領(lǐng)域顯現(xiàn)出越來越重要的價值，目前探測中層大氣采用的主要手段可分為四類：探空火箭、微波雷達(dá)、人造衛(wèi)星和激光雷達(dá)。激光雷達(dá)具備高精度、高時空分辨率和不間斷探測的優(yōu)勢，激光雷達(dá)通過收集大氣分子或組分的后向散射信號，實現(xiàn)中層大氣環(huán)境參數(shù)的測量。

2、根據(jù)探測原理的不同，可分為拉曼散射、共振熒光、瑞利散射等激光雷達(dá)，拉曼激光雷達(dá)可覆蓋地面至30km，共振熒光雷達(dá)可覆蓋80～110km，瑞利激光雷達(dá)最高可實現(xiàn)110km處大氣環(huán)境參數(shù)的探測，瑞利激光雷達(dá)具有原理簡單、回波信號強、不依賴于氣體成分等優(yōu)勢，可實現(xiàn)臨近空間全高度范圍大氣環(huán)境的高精度長時間連續(xù)觀測，對研究臨近空間大氣動力學(xué)過程至關(guān)重要。利用瑞利激光雷達(dá)反演獲得的大氣密度和溫度數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步研究重力波、潮汐變化、平流層變暖、行星波、中間層逆溫層、季節(jié)變化、夜光云等。

3、瑞利激光雷達(dá)是探測中層大氣環(huán)境最常采用的手段，探測范圍的提升是瑞利激光雷達(dá)平臺建設(shè)的核心目標(biāo)。目前瑞利激光雷達(dá)以地基為主，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，能獲得110km以內(nèi)的回波信號，已成為中層大氣探測的重要力量。由于地基激光雷達(dá)探測中層大氣時距離較遠(yuǎn)，提升探測范圍需要付出的成本極高，同時仍無法避免惡劣天氣、白天太陽光引起的強散射背景噪聲等問題，這些問題也是制約激光雷達(dá)實現(xiàn)中層大氣全天候全天時探測的關(guān)鍵因素。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于平流層浮空平臺的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有地基激光雷達(dá)無法避免惡劣天氣和低空強背景散射噪聲等問題，能夠?qū)崿F(xiàn)中層大氣的全天候全天時觀測。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種基于平流層浮空平臺的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于實現(xiàn)中層大氣的全天候全天時觀測，包括：平流層浮空平臺和瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)；所述平流層浮空平臺包括掛載接口、供電模塊和通信數(shù)傳模塊；所述瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光發(fā)射子系統(tǒng)、光學(xué)接收子系統(tǒng)、信號檢測子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)、電源供電子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)和電氣箱機械子系統(tǒng)；

4、所述激光發(fā)射子系統(tǒng)包括依次設(shè)置的激光器、擴束鏡、偏擺鏡和光學(xué)窗口；

5、所述光學(xué)接收子系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡和光纖接收單元；

6、所述信號檢測子系統(tǒng)包括多模光纖、光纖準(zhǔn)直器、窄帶濾光片、分光鏡、第一匯聚鏡、第一單光子探測器、反射鏡、第二匯聚鏡、第二單光子探測器和光子計數(shù)器；

7、所述溫度控制子系統(tǒng)包括被動溫控單元、風(fēng)冷單元、液冷單元和加熱單元；

8、所述自動控制子系統(tǒng)包括載荷控制單元、浮空平臺通信單元和地面控制單元；

9、所述電氣箱機械子系統(tǒng)包括吊艙、鋼絲減震器、電氣箱上蓋和電氣箱箱體；

10、所述掛載接口用于將平流層浮空平臺和吊艙連接，吊艙和瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)通過鋼絲減震器相連；所述供電模塊用于輸出寬幅電壓，寬幅電壓由所述電源供電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)各器件所需的電壓；所述通信數(shù)傳模塊為載荷控制單元和地面控制單元之間的控制指令和數(shù)據(jù)提供傳輸通道；所述溫度控制子系統(tǒng)提供瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)在平流層低溫環(huán)境中正常工作所需的溫度條件；所述電氣箱機械子系統(tǒng)用于提供瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)在平流層低壓環(huán)境中正常工作所需的氣壓條件；

11、所述地面控制單元發(fā)出操作控制指令，經(jīng)通信數(shù)傳模塊傳輸至載荷控制單元，控制激光器工作，所述液冷單元為激光器進(jìn)行散熱，所述激光器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)過擴束鏡后進(jìn)入偏擺鏡，經(jīng)光學(xué)窗口進(jìn)入大氣中與大氣分子相互作用產(chǎn)生后向瑞利散射回波信號；后向瑞利散射回波信號被望遠(yuǎn)鏡收集后經(jīng)光纖接收單元傳輸并通過電氣箱上蓋的光學(xué)接口進(jìn)入所述電氣箱機械子系統(tǒng)內(nèi)部；隨后，后向瑞利散射回波信號通過多模光纖傳輸至光纖準(zhǔn)直器，經(jīng)過窄帶濾光片進(jìn)入分光鏡變成兩束回波信號，從分光鏡反射的一束回波信號經(jīng)過第一匯聚鏡后到達(dá)第一單光子探測器，從分光鏡透射的另一束回波信號經(jīng)過反射鏡進(jìn)入第二匯聚鏡后到達(dá)第二單光子探測器，第一單光子探測器和第二單光子探測器記錄的光子數(shù)分別接入所述光子計數(shù)器的兩個不同通道，實現(xiàn)回波光子數(shù)廓線記錄與存儲，回波光子數(shù)通過通信數(shù)傳模塊傳輸至地面控制單元。

12、進(jìn)一步的，所述平流層浮空平臺為具備動態(tài)特性的浮空平臺，包括但不限于平流層氣球、系留氣球和平流層飛艇。

13、進(jìn)一步的，所述掛載接口位于平流層浮空平臺前端，保證瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)呈斜向上的掛載角度。

14、進(jìn)一步的，所述擴束鏡用于壓縮激光器激光脈沖的發(fā)散角，所述偏擺鏡用于校正激光發(fā)射子系統(tǒng)光路中的傾斜誤差，實現(xiàn)擴束后激光脈沖的發(fā)散角與光學(xué)接收子系統(tǒng)視場角的同軸度校準(zhǔn)，所述光學(xué)窗口用于透過發(fā)射激光脈沖同時保證電氣箱機械子系統(tǒng)的氣密性和恒溫性。

15、進(jìn)一步的，所述被動溫控單元用于實現(xiàn)瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)被動保溫功能；所述風(fēng)冷單元實現(xiàn)電氣箱機械子系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境的熱交換，使電氣箱機械子系統(tǒng)內(nèi)部處于常溫環(huán)境；所述加熱單元實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡、接收光纖單元與電氣箱機械子系統(tǒng)內(nèi)部的溫度控制。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

17、1.全天候觀測能力：本發(fā)明基于平流層浮空平臺的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，能夠有效避免地面觀測系統(tǒng)受惡劣天氣的影響，確保中層大氣的穩(wěn)定觀測。相比于傳統(tǒng)地基激光雷達(dá)系統(tǒng)，極大提升了大氣探測的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

18、2.全天時觀測能力：由于本系統(tǒng)置于平流層，遠(yuǎn)離低空強背景散射噪聲的干擾，避免了白天陽光引發(fā)的強散射背景噪聲問題，實現(xiàn)了對中層大氣的全天時不間斷監(jiān)測，顯著提高了探測的時間分辨率。

19、3.探測精度與效率提升：系統(tǒng)通過浮空平臺縮短了與探測目標(biāo)區(qū)域的距離，從而減少了激光雷達(dá)的信號衰減，增強了回波信號的強度。在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本的情況下，可使用更簡便的激光雷達(dá)配置來實現(xiàn)高精度中層大氣觀測。

20、4.高空工作環(huán)境優(yōu)化：通過使用溫度控制和氣壓控制子系統(tǒng)，本發(fā)明保證了瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)在平流層低溫、低壓環(huán)境中的正常工作，為長時間運行提供了可靠的保障。

21、5.擴展應(yīng)用潛力：該系統(tǒng)不僅能用于中層大氣的環(huán)境監(jiān)測，還可為在平流層運行的其他光學(xué)設(shè)備提供設(shè)計和應(yīng)用參考，具有較大的拓展應(yīng)用價值。

22、綜上，本發(fā)明在全天候、全天時觀測以及提高探測精度和效率方面的優(yōu)勢，同時也提及了其潛在的擴展應(yīng)用價值。

技術(shù)特征：

1.一種基于平流層浮空平臺的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于實現(xiàn)中層大氣的全天候全天時觀測，其特征在于，包括：平流層浮空平臺和瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)；所述平流層浮空平臺包括掛載接口、供電模塊和通信數(shù)傳模塊；所述瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光發(fā)射子系統(tǒng)、光學(xué)接收子系統(tǒng)、信號檢測子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)、電源供電子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)和電氣箱機械子系統(tǒng)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于平流層浮空平臺的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述平流層浮空平臺為具備動態(tài)特性的浮空平臺，包括但不限于平流層氣球、系留氣球和平流層飛艇。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于平流層浮空平臺的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述掛載接口位于平流層浮空平臺前端，保證瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)呈斜向上的掛載角度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于平流層浮空平臺的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述擴束鏡用于壓縮激光器激光脈沖的發(fā)散角，所述偏擺鏡用于校正激光發(fā)射子系統(tǒng)光路中的傾斜誤差，實現(xiàn)擴束后激光脈沖的發(fā)散角與光學(xué)接收子系統(tǒng)視場角的同軸度校準(zhǔn)，所述光學(xué)窗口用于透過發(fā)射激光脈沖同時保證電氣箱機械子系統(tǒng)的氣密性和恒溫性。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于平流層浮空平臺的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述被動溫控單元用于實現(xiàn)瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)被動保溫功能；所述風(fēng)冷單元實現(xiàn)電氣箱機械子系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境的熱交換，使電氣箱機械子系統(tǒng)內(nèi)部處于常溫環(huán)境；所述加熱單元實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡、接收光纖單元與電氣箱機械子系統(tǒng)內(nèi)部的溫度控制。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種基于平流層浮空平臺的瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于實現(xiàn)中層大氣的全天候全天時觀測，包括平流層浮空平臺和瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)，平流層浮空平臺包括掛載接口、供電模塊、通信數(shù)傳模塊。瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光發(fā)射子系統(tǒng)、光學(xué)接收子系統(tǒng)、信號檢測子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)、電源供電子系統(tǒng)、自動控制子系統(tǒng)和電氣箱機械子系統(tǒng)。與地基激光雷達(dá)需在夜間晴朗且能見度良好的觀測條件相比，基于瑞利激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠避免惡劣天氣影響，實現(xiàn)中層大氣的全天候觀測；能夠避免低空強背景散射帶來的背景噪聲，實現(xiàn)中層大氣的全天時觀測；能夠縮短與探測目標(biāo)區(qū)域的距離，提高探測高度或采用更簡單、低成本的激光雷達(dá)系統(tǒng)來實現(xiàn)中層大氣的觀測。

技術(shù)研發(fā)人員：鐘凱,張獻(xiàn)中,徐德剛,吳同,李欣岐,陳鍇,李吉寧,姚建銓
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19