机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统。该机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统采用机载系统，探测范围广，并且采用的是主动探测方法，不受太阳光的影响，可以实现全天时观测，大大提升了系统的适用范围，此外，其采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用分布反馈式(DFB)激光器的窄线宽和波长可调谐等特性，实现CO2气体分子的单根吸收谱线“指纹区”的扫描和测量，具有灵敏度高、选择性好、抗其他气体干扰能力强等优点，可实时在线快速遥测CO2柱浓度，具有较好的推广应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及大气光学遥感监测
，尤其涉及一种用于大气⑶2柱浓度遥测的机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统。
技术介绍
温室气体浓度持续增长已导致气候变暖等一系列全球及区域性问题，二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、六氟化硫、氢氟碳化物、全氟碳化物等都被列入《京都议定书》减排清单，而C02对增强温室效应的贡献率最大，约占50?60% X02作为一种重要的温室气体，其源和汇及它们的时空分布对预测未来大气C02水平及相应的全球气候变化有重要意义。大气C02浓度高分辨率垂直分布数据及其变化特征，对污染物扩散规律与输运路径、卫星对地遥感以及空间技术等国家安全战略高技术发展研究具有十分重要的价值。目前对大气⑶2的源汇分布及其时空变化的理解还存在重大的不确定性，研究CO2的源与汇以及碳浓度的变化趋势要求高的探测精度，我国在此类探测仪器与装备的核心技术(包括观测方法和算法)研究方面与世界发达国家相比还存在很大差距。目前可用于⑶2气体遥测的方法主要有:激光雷达(LIDAR)、傅里叶光谱仪(FTS)、基于卫星平台的红外辐射探测仪、红外大气垂直探测干涉仪和扫描成像吸收光谱仪等。激光雷达属于主动探测方法，基于分子散射原理，探测距离有限，探测精度较低。傅里叶光谱仪、红外辐射探测仪、红外大气垂直探测干涉仪等属于被动探测方法，依赖太阳光，不能全天时观测。因此，业内亟需一种简单、轻便、成本相对较低且测量精度高的遥测设备，对CO2区域分布开展机载飞行测量。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本技术提供了一种实用性强、非接触式、可全天时观测的用于大气CO2柱浓度遥测的机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统。(二)技术方案根据本技术的一个方面，提供了一种机载对流层⑶2垂直柱浓度激光主动遥测系统，该机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统采用飞行器承载而进行对流层大气CO2柱浓度激光主动遥测，包括:信号发生器，其输出锯齿波信号和同步触发信号;激光源模块，其后端连接至信号发生器，其提供一束激光，该激光由锯齿波信号进行调谐，其波长能够扫描CO2气体吸收跃迀谱线;光纤分束器，位于激光源模块的光路后端，其将由激光源模块提供的激光分束为四路，其中的第一路返回至激光源模块以调节激光的中心波长;激光收发单元，位于光纤分束器在第二方向的光路后端，其将由光纤分束器分束获取的第二路激光对地面发射，其获取相应与该第二路激光的回波信号，该回波信号包含激光收发单元与地面之间空气中C02气体对激光的吸收光谱信息;时频转换模块，位于光纤分束器在第三方向的光路后端，其将由光纤分束器分束获取的第三路激光进行时频转换，得到干涉信号;功率监测模块，位于光纤分束器在第四个方向的光路后端，其监测由光纤分束器分束获取的第四路激光的强度变化，获取光强参考信号，该光强参考信号作为无CO2吸收的参考信号;数据采集模块，连接至信号发生器、激光收发单元、时频转换模块和功率监测模块，其在信号发生器发出的同步触发信号的触发下收集:由激光收发单元获取的回波信号；由时频转换模块获取的干涉信号；由功率监测模块获取的光强参考信号;GPS定位模块，连接至信号发生器，其在信号发生器发出的同步触发信号的触发下获取飞行器的实时位置信息；以及上位机，连接至数据采集模块和GPS定位模块，其结合回波信号、干涉信号、光强参考信号进行反演计算，得到对流层大气CO2柱浓度信息，结合实时位置信息，获取对流层大气0)2柱浓度的区域分布。优选地，本技术机载对流层⑶2垂直柱浓度激光主动遥测系统中，信号发生器、激光源模块、光纤分束器、时频转换模块、功率监测模块、数据采集模块和GPS定位模块被集成至系统主机中，外侧设置防震机箱;激光收发单元独立于系统主机和上位机设置，并通过光纤接口与系统主机光路连通，通过BNC接口与系统主机进行通信;上位机分别与系统主机内的数据采集模块和GPS定位模块进行通信。优选地，本技术机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统中，激光源模块包括:电流控制器、DFB激光器和光纤放大器，其中:电流控制器，其后端连接至信号发生器，其前端连接至DFB激光器，其中，该电流控制器利用信号发生器输出的锯齿波信号作为其调制信号，将DFB激光器的波长调谐到能够扫描CO2气体吸收跃迀谱线的位置;DFB激光器，其利用该电流控制器输出的电流产生种子激光;光纤放大器，其后端通过光纤连接至DFB激光器，其前端通过光纤连接至光纤分束器，该光纤放大器将DFB激光器产生的种子激光放大至预设功率，并将该激光输出至光纤分束器。优选地，本技术机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统中，激光源模块还包括:锁频模块、温度控制器，其中:锁频模块，位于光纤分束器在第一方向的光路后端，其检测由光纤分束器分束获取的第一路激光的中心波长;温度控制器，其后端连接至锁频模块，其前端连接至DFB激光器，该温度控制器通过调节DFB激光器的温度而使其输出激光的中心波长稳定在CO2气体的吸收谱线的中心位置。优选地，本技术机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统中，激光源模块中，温度控制器和电流控制器分立设置或一体化设置。优选地，本技术机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统中，激光源模块输出激光的波长介于1572nm?1573nm之间；其功率大于51优选地，本技术机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统中，激光收发单元包括:镜筒35光纤接口 34、聚焦透镜24、光纤准直器25、光电探测器28、BNC接口 33;其中，光纤准直器25通过光纤接口 34将来自激光源模块的激光准直后对地发射;聚焦透镜24接收地面漫反射回来的激光并聚焦到光电探测器28上;光电探测器28将探测到的激光回波信号转成电信号，通过BNC接口 33上传给数据采集模块10;聚焦透镜24、光纤准直器25、光电探测器28均被设置于镜筒35内，光纤接口 34和BNC接口 33设置于镜筒35的壳壁上。优选地，本技术机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统中，激光收发单元还包括:防护玻璃23、窄带滤光片27、温度传感器30、湿度传感器31，其中:镜筒35内壁做发黑处理，以减少杂光干扰;防护玻璃23保护聚焦透镜24;窄带滤光片27紧贴光电探测器28安装，其滤除太阳反射光的干扰;温度传感器30和湿度传感器31设置于镜筒内，两者将探测到的温度和湿度信号通过BNC接口 33上传给数据采集模块。优选地，本技术机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统中，时频转换模块包括:干涉计和探测器;该时频转换模块中，干涉计的后端通过光纤连接至光纤分束器，探测器通过光纤连接至干涉计的前端;其中，由干涉计将第三路激光的锯齿波光信号转换为强弱分布的干涉光信号，由探测器将该干涉光信号转换为电信号，即干涉信号。优选地，本技术机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统中，飞行器为飞机、飞艇或无人机。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本技术机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统具有以下有益效果:(I)采用机载系统，探测范围广，并且采用的是主动探测方法，不受太阳光的影响，可以实现全天时观测，大大提升了系统的适用范围；(2)采用可调谐半导体激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机载对流层CO2垂直柱浓度激光主动遥测系统，其特征在于，采用飞行器承载而进行对流层大气CO2柱浓度激光主动遥测，包括：信号发生器，其输出锯齿波信号和同步触发信号；激光源模块，其后端连接至所述信号发生器，其提供一束激光，该激光由所述锯齿波信号进行调谐，其波长能够扫描CO2气体吸收跃迁谱线；光纤分束器，位于所述激光源模块的光路后端，其将由所述激光源模块提供的激光分束为四路，其中的第一路返回至激光源模块以调节激光的中心波长；激光收发单元，位于所述光纤分束器在第二方向的光路后端，其将由光纤分束器分束获取的第二路激光对地面发射，其获取相应与该第二路激光的回波信号，该回波信号包含激光收发单元与地面之间空气中CO2气体对激光的吸收光谱信息；时频转换模块，位于所述光纤分束器在第三方向的光路后端，其将由光纤分束器分束获取的第三路激光进行时频转换，得到干涉信号；功率监测模块，位于所述光纤分束器在第四个方向的光路后端，其监测由光纤分束器分束获取的第四路激光的强度变化，获取光强参考信号，该光强参考信号作为无CO2吸收的参考信号；数据采集模块，连接至所述信号发生器、激光收发单元、时频转换模块和功率监测模块，其在所述信号发生器发出的同步触发信号的触发下收集：由激光收发单元获取的回波信号；由时频转换模块获取的干涉信号；由功率监测模块获取的光强参考信号；GPS定位模块，连接至所述信号发生器，其在所述信号发生器发出的同步触发信号的触发下获取飞行器的实时位置信息；以及上位机，连接至所述数据采集模块和GPS定位模块，其结合所述回波信号、干涉信号、光强参考信号进行反演计算，得到对流层大气CO2柱浓度信息，结合实时位置信息，获取对流层大气CO2柱浓度的区域分布。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李传荣，陈玖英，周梅，唐伶俐，胡坚，孟凡荣，张丹丹，黎荆梅，李伟，吴昊昊，张慧静，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：新型
国别省市：北京;11