天基CO制造技术

本发明专利技术提供了一种天基CO

【技术实现步骤摘要】
天基CO2通量激光探测装置
本专利技术涉及光电子
，具体而言，涉及一种天基CO2通量激光探测装置。
技术介绍
大气中CO2等温室气体浓度不断升高引起的全球变暖、极地冰盖消融、海平面上升、生态系统的物种组成改变等全球变化已成为人类最为关注的环境问题，研究地球系统的碳循环机理、全球陆地生态系统碳收支及其环境变换响应已成为当前一系列大型国际研究计划的共同核心问题。在全球碳循环和碳收支研究中发现了“碳失踪”问题，并且推测这些“失踪的碳”可能被蓄积于陆地生态系统之中。因此。如何准确地预测地球陆地生态系统与大气间净CO2交换量、分析其时空分布格局，便成为地球物理、生物学家们一致致力于解决的重大科学问题。目前观测全球生态系统的碳收支的方法是涡度相关法。它是通过快速测定大气中CO2浓度与风速的协方差来计算湍流通量的一种方法，它是基于大气湍流理论和数据统计分析相结合的一种计算。其中涡度相关法经过长期的理论发展和技术改进，已经实现了对森林、草地等局部生态系统CO2通量的测量。随着涡度相关通量观测在全球范围内的广泛开展，一个覆盖全球陆地生态系统的国际碳通量观测研究网络应运而生。但通量观测站点均处于远离市区的野外，经常会由于恶劣天气、系统故障或者其他外界干扰而造成通量观测仪器的失灵，并由此使得通量观测数据在数量和质量上达不到研究的要求。同时全面反演全球的碳分布将需要大量的CO2探测站，因此实现难度大，成本高。除此之外，多光谱衍射光栅也是测量CO2浓度分布的常用方法，它是在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度，但该测量方法无法做到全天候、全天时工作，且仅能测量CO2浓度，无法得到风场信息，因此也就无法反演CO2通量。实现全球覆盖的CO2浓度测量的高效手段是利用卫星遥感。例如，基于星载差分光谱探测原理的被动遥感方案，是当前较为主流的一种获取全球CO2浓度分布的方式，可以在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度，但该测量方法无法做到全天候、全天时工作，且仅能实现大尺度范围的CO2浓度测量，进而获得CO2通量数据产品，但该产品已经是载荷4-5级数据产品，不仅分辨率极低，而且数据的可靠性大幅降低。目前已经规划的天基差分吸收激光雷达，可以提供更高分辨率的浓度数据，但其任务仍是以柱浓度为探测目标，不具备通量探测能力。因此，现有基于卫星遥感的CO2通量探测方式存在分辨率及可靠性低的问题。
技术实现思路
本专利技术解决的是现有基于卫星遥感的CO2通量探测方式存在分辨率及可靠性低的问题。为解决上述问题，本专利技术提供一种天基CO2通量激光探测装置，所述装置包括激光模块、收发模块以及解算模块；所述激光模块包括主激光器、第一单频激光器、第二单频激光器及光开关；所述主激光器的输出波长为CO2吸收峰波长，所述第一单频激光器的输出波长由所述CO2吸收峰波长进行天基平台对应的多普勒频移补偿得到，所述第二单频激光器的输出波长远离所述CO2吸收峰波长；所述光开关用于控制交替发出所述第一单频激光器、所述第二单频激光器的输出激光；所述收发模块包括光学收发装置及伺服系统，所述光学收发装置用于将所述输出激光发射至测量区域，以及接收所述测量区域的回波信号；所述伺服系统用于控制所述光学收发装置的出射角度；所述解算模块用于根据所述回波信号进行信号处理解算得到所述测量区域的风场廓线信息及CO2浓度廓线信息，并根据所述风场廓线信息及所述CO2浓度廓线信息计算得到CO2通量数据。可选地，所述激光模块还包括：脉冲激光器及激光放大器；所述光开关、所述脉冲激光器、所述激光放大器、所述光学收发装置沿光路依次设置；所述脉冲激光器用于将所述光开关输出的连续激光转换为脉冲激光输出；所述激光放大器用于将所述脉冲激光放大至探测所需功率。可选地，所述CO2吸收峰波长λpeak，所述天基平台对应的多普勒频移对应波长为Δλ1，所述第二单频激光器的输出波长与所述CO2吸收峰波长的差值为Δλ2；根据跟随锁定技术将所述第一单频激光器的输出波长λon锁定至λpeak+Δλ1，以及将所述第二单频激光器的输出波长λoff锁定至λpeak+Δλ2。可选地，所述伺服系统用于控制所述光学收发装置将所述输出激光前向发射至所述测量区域，以及将所述输出激光后向发射至所述测量区域；所述前向发射的角度与所述后向发射的角度相同；所述光学收发装置用于接收前向发射至所述测量区域的回波信号，以及接收后向发射至所述测量区域的回波信号。可选地，所述解算模块包括风场廓线解算单元、CO2浓度廓线解算单元及CO2通量解算单元；所述风场廓线解算单元用于根据所述回波信号进行信号处理解算得到所述测量区域的风场廓线信息；所述CO2浓度廓线解算单元用于根据所述回波信号解算得到所述测量区域的CO2浓度廓线信息；或者，所述解算模块包括信号处理单元及CO2通量解算单元；所述信号处理单元用于根据所述回波信号进行信号处理解算得到所述测量区域的风场廓线信息及CO2浓度廓线信息；所述CO2通量解算单元用于根据所述风场廓线信息及所述CO2浓度廓线信息计算得到CO2通量数据。可选地，所述解算模块还包括分光装置；所述分光装置用于将所述测量区域的回波信号分成两路并进行光电转换，将两路电信号分别输入所述风场廓线解算单元及所述CO2浓度廓线解算单元。可选地，所述第一单频激光器、所述第二单频激光器通过分光光路与所述风场廓线解算单元连接，用于将激光输出至所述风场廓线解算单元作为本振光信号；所述风场廓线解算单元，用于根据所述本振光信号及所述测量区域对应回波信号的外差相干进行风场廓线的反演，得到风场廓线信息；所述测量区域对应回波信号包括所述第一单频激光器的回波信号及所述第二单频激光器的回波信号。可选地，所述CO2浓度廓线解算单元用于测量所述回波信号的功率，以及根据以下浓度反演公式解算CO2浓度廓线：其中，Δσ＝σon-σoff，所述第一单频激光器的输出激光的波长为λon、吸收系数为σon，所述第二单频激光器的输出激光的波长为λoff、吸收系数为σoff，距离R处的回波功率值为P(R,λON)和P(R,λOFF)，距离R+ΔR处的回波功率P(R+ΔR,λON)和P(R+ΔR,λOFF)。可选地，所述CO2浓度廓线解算单元包括低通滤波器，所述低通滤波器用于过滤所述回波信号中的高频噪声。本专利技术实施例提供的天基CO2通量激光探测装置，设置于天基平台，激光模块输出波长处于CO2吸收峰和偏离吸收峰的两种单频激光，通过光学收发装置将激光发射至测量区域以及接收回波信号得到测量结果，解算模块接收到测量结果后可以进行风场廓线及CO2浓度廓线双重测量，测量结果可以直接用于反演测量区域的CO2通量，可以高精度、高可靠性地测量地表的CO2收支量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种天基CO

【技术特征摘要】
1.一种天基CO2通量激光探测装置，其特征在于，所述装置包括激光模块、收发模块以及解算模块；
所述激光模块包括主激光器、第一单频激光器、第二单频激光器及光开关；所述主激光器的输出波长为CO2吸收峰波长，所述第一单频激光器的输出波长由所述CO2吸收峰波长进行天基平台对应的多普勒频移补偿得到，所述第二单频激光器的输出波长远离所述CO2吸收峰波长；所述光开关用于控制交替发出所述第一单频激光器、所述第二单频激光器的输出激光；
所述收发模块包括光学收发装置及伺服系统，所述光学收发装置用于将所述输出激光发射至测量区域，以及接收所述测量区域的回波信号；所述伺服系统用于控制所述光学收发装置的出射角度；
所述解算模块用于根据所述回波信号进行信号处理解算得到所述测量区域的风场廓线信息及CO2浓度廓线信息，并根据所述风场廓线信息及所述CO2浓度廓线信息计算得到CO2通量数据。


2.根据权利要求1所述的天基CO2通量激光探测装置，其特征在于，所述激光模块还包括：脉冲激光器及激光放大器；
所述光开关、所述脉冲激光器、所述激光放大器、所述光学收发装置沿光路依次设置；
所述脉冲激光器用于将所述光开关输出的连续激光转换为脉冲激光输出；
所述激光放大器用于将所述脉冲激光放大至探测所需功率。


3.根据权利要求1所述的天基CO2通量激光探测装置，其特征在于，所述CO2吸收峰波长λpeak，所述天基平台对应的多普勒频移对应波长为Δλ1，所述第二单频激光器的输出波长与所述CO2吸收峰波长的差值为Δλ2；
根据跟随锁定技术将所述第一单频激光器的输出波长λon锁定至λpeak+Δλ1，以及将所述第二单频激光器的输出波长λoff锁定至λpeak+Δλ2。


4.根据权利要求1-3任一项所述的天基CO2通量激光探测装置，其特征在于，所述伺服系统用于控制所述光学收发装置将所述输出激光前向发射至所述测量区域，以及将所述输出激光后向发射至所述测量区域；所述前向发射的角度与所述后向发射的角度相同；
所述光学收发装置用于接收前向发射至所述测量区域的回波信号，以及接收后向发射至所述测量区域的回波信号。


5.根据权利要求1所述的天基CO2通量激光探...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚伟，王磊，杨宏志，毛叶飞，张子越，高原，于志同，马蓉，张思勃，胡洛佳，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11