一种E-F区风温密金属离子探测激光雷达及其探测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于金属离子多普勒机制的E

【技术实现步骤摘要】
一种E
‑
F区风温密金属离子探测激光雷达及其探测方法


[0001]本专利技术涉及激光雷达
，尤其涉及一种E
‑
F区风温密金属离子探测激光雷达及其探测方法，更具体地，涉及一种基于金属离子多普勒机制的E
‑
F区风温密探测激光雷达及其探测方法。

技术介绍

[0002]自1969年，Bowman等利用共振荧光激光雷达首次实现高空钠原子探测，至此之后，已有多个研究单位利用宽带共振荧光雷达对钠原子密度进行了测量(Sandford and Gibson,1970；Hake et al.,1972；Megie and Blamont,1977)。在国内，中国科学院武汉物理与数学研究所在1996年率先研制成功我国第一台宽带钠激光雷达，之后，武汉大学、中国科学技术大学、中国科学院国家空间科学中心等多家单位都研制成功钠荧光激光雷达，并开展了广泛的技术和应用研究。
[0003]随着激光技术及光电子器件的发展，共振荧光激光雷达可产生窄线宽、光束发散角小的探测激光，使大气探测具有很高的时空分辨率；并且由于探测激光的高能量、单色性好，短脉冲特性以及配合了窄带滤光或者其他滤光器手段，又使激光雷达获得很高的探测灵敏度；除此之外，激光的波长还具备较大范围的调谐能力，也使得激光雷达实现了多种大气组分的探测，比如K、Li、Fe、Ga、Ga
+
、Mg、Ni等金属原子离子的探测。
[0004]利用共振荧光激光雷达可对对流层顶(80
‑
110km)的大气风场、温度进行高精度测量。现有的技术中是以钠原子为示踪物，采用多普勒测量机制(利用大气中的原子分子的散射光谱会随着温度和径向速度的变化产生多普勒展宽和频移，根据回波信号反演出温度和风场信息)，利用高功率、窄线宽及高频率稳定性的激光器作为发射系统，实时获得高精度的大气风场垂直廓线和三维立体扫描风场。
[0005]利用共振荧光激光雷达可实现的金属原子离子层的探测高度，文献(Gong S,et.al.A double sodium layer event observed over Wuhan,China by lidar,Geophysical Research Letters,2003,30(5):13
‑
1)报道了Gong等在中国武汉观测到延伸至120km的钠原子层；文献(Chu X,et.al.Lidar observations of neutral Fe layers and fast gravity waves in the thermosphere(110
‑
155km)at McMurdo(77.8
°
S,166.7
°
E,),Antarctica,Geophysical Research Letters,2011,38(23):23807)报道了chu等观测到了155km的铁原子层；文献(荀宇畅，中纬度热层钠层的激光雷达观测与研究，中国科学院大学(国家空间科学中心))利用子午工程的瑞利
‑
钠荧光激光雷达探测到了延伸至200km的热层钠原子层。这些特殊的原子垂直分布特征拓宽了人们对于金属层的认知，温度和风场的探测范围也得到了有效的拓展，文献(Liu A Z,et.al.First measurement of horizontal wind and temperature in the lower thermosphere(105
‑
140km)with a Na Lidar at Andes Lidar Observatory,Geophysical Research Letters,2016,43(6):2374
‑
2380)报道了140km的钠原子层，并实现了该高度的温度和风场的探测。
[0006]但是到目前为止，尚未见有基于金属离子多普勒机制的高空大气风温探测的激光
雷达，尤其是将风温探测范围从E层扩展到更高高度的F层的激光雷达探测并未见报道。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提出一种基于金属离子多普勒机制的高空大气风温密探测激光雷达的系统和方法，可以实现E
‑
F区风温密探测。
[0008]本专利技术提出了一种E
‑
F区风温密金属离子探测激光雷达，所述激光雷达以金属离子为示踪物，探测大气层E
‑
F区，包括：激光发射系统、望远镜接收系统和信号采集处理系统；
[0009]所述激光发射系统，用于通过各类激光器设备，并在光开关及频率转换器作用下，输出三频切换的金属离子探测激光，利用激光分束镜和激光高反镜的组合实现不同方向的激光发射，并且激光发射方向与望远镜接收系统接收方向一致；
[0010]所述望远镜接收系统，用于接收各个方向的激光回波信号，并将各个方向的回波信号分别进行处理获得电信号后统一传输到信号采集处理系统；
[0011]所述信号采集处理系统，用于对望远镜接收系统传输的电信号进行采集并处理，以获得E
‑
F区的温度、风场以及金属层的密度。
[0012]作为上述技术方案的改进之一，所述激光发射系统包括：第一种子激光器，大功率脉冲泵浦激光器，光参量振荡放大激光器，第二种子激光器，三频切换模块，非线性频率转换器，激光扩束镜，第一激光分束镜，第二激光分束镜，第一激光高反镜，第二激光高反镜和第三激光高反镜；
[0013]所述第一种子激光器，用于产生窄线宽种子激光，并将窄带宽种子激光注入到大功率脉冲泵浦激光器；
[0014]所述大功率脉冲泵浦激光器，用于根据注入的窄线宽种子激光产生单纵模的泵浦激光，并将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器，或将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器和非线性频率转换器；
[0015]所述第二种子激光器，用于产生窄线宽种子激光，并输入到三频切换模块；
[0016]所述三频切换模块，用于对输入的窄线宽种子激光频率进行频移，具体为：将第二种子激光器注入的频率为f0的窄线宽种子激光，转换成频率为f0+Δf，f0和f0‑
Δf的激光，并将频率转换后的激光注入到光参量振荡放大激光器，其中，Δf为频移量，根据风温测量原理设定；
[0017]所述光参量振荡放大激光器，用于根据大功率脉冲泵浦激光器和三频切换模块注入的激光，产生单纵模窄线宽的信号激光，并入射到非线性频率转换器；
[0018]所述非线性频率转换器，用于根据光参量振荡放大激光器入射的信号激光，或者是根据大功率脉冲泵浦激光器与光参量振荡放大激光器共同入射两种激光，经过光学非线性作用，产生金属离子的共振激光，并入射到激光扩束镜；
[0019]所述激光扩束镜，用于将非线性频率转换器入射的金属离子的共振激光的光束发散角进行调整，调整后的光束入射到第一激光分束镜；
[0020]所述第一激光分束镜，用于将激光扩束镜入射的金属离子的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种E
‑
F区风温密金属离子探测激光雷达，其特征在于，所述激光雷达以金属离子为示踪物，探测大气层E
‑
F区，包括：激光发射系统(1)、望远镜接收系统(2)和信号采集处理系统(3)；所述激光发射系统(1)，用于通过各类激光器设备，并在光开关及频率转换器作用下，输出三频切换的金属离子探测激光，利用激光分束镜和激光高反镜的组合实现不同方向的激光发射，并且激光发射方向与望远镜接收系统(2)接收方向一致；所述望远镜接收系统(2)，用于接收各个方向的激光回波信号，并将各个方向的回波信号分别进行处理获得电信号后统一传输到信号采集处理系统(3)；所述信号采集处理系统(3)，用于对望远镜接收系统(2)传输的电信号进行采集并处理，以获得E
‑
F区的温度、风场以及金属层的密度。2.根据权利要求1所述的E
‑
F区风温密金属离子探测激光雷达，其特征在于，所述激光发射系统包括：第一种子激光器(101)，大功率脉冲泵浦激光器(102)，光参量振荡放大激光器(103)，第二种子激光器(104)，三频切换模块(110)，非线性频率转换器(111)，激光扩束镜(112)，第一激光分束镜(113)，第二激光分束镜(114)，第一激光高反镜(115)，第二激光高反镜(116)和第三激光高反镜(117)；所述第一种子激光器(101)，用于产生窄线宽种子激光，并将窄带宽种子激光注入到大功率脉冲泵浦激光器(102)；所述大功率脉冲泵浦激光器(102)，用于根据注入的窄线宽种子激光产生单纵模的泵浦激光，并将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器(103)，或将泵浦激光注入到光参量振荡放大激光器(103)和非线性频率转换器(111)；所述第二种子激光器(104)，用于产生窄线宽种子激光，并输入到三频切换模块(110)；所述三频切换模块(110)，用于对输入的窄线宽种子激光频率进行频移，具体为：将第二种子激光器(104)注入的频率为f0的窄线宽种子激光，转换成频率为f0+Δf，f0和f0‑
Δf的激光，并将频率转换后的激光注入到光参量振荡放大激光器(103)，其中，Δf为频移量，根据风温测量原理设定；所述光参量振荡放大激光器(103)，用于根据大功率脉冲泵浦激光器(102)和三频切换模块(110)注入的激光，产生单纵模窄线宽的信号激光，并入射到非线性频率转换器(111)；所述非线性频率转换器(111)，用于根据光参量振荡放大激光器(103)入射的信号激光，或者是根据大功率脉冲泵浦激光器(102)与光参量振荡放大激光器(103)共同入射两种激光，经过光学非线性作用，产生金属离子的共振激光，并入射到激光扩束镜(112)；所述激光扩束镜(112)，用于将非线性频率转换器(111)入射的金属离子的共振激光的光束发散角进行调整，调整后的光束入射到第一激光分束镜(113)；所述第一激光分束镜(113)，用于将激光扩束镜(112)入射的金属离子的共振激光分为透射和反射两束光束；所述第二激光高反镜(116)，用于将第一激光分束镜(113)输出的反射光束反射到天空，方向指向东或西向；所述第二激光分束镜(114)，用于将第一激光分束镜(113)输出的透射光束再次分成透射和反射两束光束，并将反射光束反射到天空，方向指向垂直；所述第一激光高反镜(115)，用于将第二激光分束镜(114)输出的透射光束反射到第三
激光高反镜(117)，并通过第三激光高反镜(117)将光束反射到天空，方向指向南或北向。3.根据权利要求2所述的E
‑
F区风温密金属离子探测激光雷达，其特征在于，所述三频切换模块(110)包括第一光开关(105)，频率上转换器(106)，光纤(107)，频率下转换器(108)和第二光开关(109)；所述频率上转换器(106)，用于对输入三频切换模块(110)的激光进行频率上移处理，使输出的激光频率由f0转换为f0+Δf；所述光纤(107)，用于对输入三频切换模块(110)的激光直接传输；所述频率下转换器(108)，用于对注入三频切换模块(110)的激光进行频率下移处理，使输出的激光频率由f0转换为f0‑
Δf；所述频率上转换器(106)、光纤(107)和频率下转换器(108)，分别通过第一光开关(105)与第二种子激光器(104)相连，通过第二光开关(109)与光参量振荡放大激光器(103)相连，用于控制对输入三频切换模块(110)的激光频率进行上移、下移或不变的处理；所述第一光开关(105)，用于控制第二种子激光器(104)入射到频率上转换器(106)、光纤(107)和频率下转换器(108)的时序切换；所述第二光开关(109)，用于控制经频率上转换器(106)、光纤(107)和频率下转换器(108)的时序切换后的激光入射到光参量振荡放大激光器(103)。4.根据权利要求2所述的E
‑
F区风温密金属离子探测激光雷达，其特征在于，所述望远镜接收系统(2)包括：天顶指向东或西向接收望远镜(201)、天顶指向垂直接收望远镜(202)、天顶指向南或北向接收望远镜(203)、第一光信号传导光纤(204)、第二光信号传导光纤(205)、第三光信号传导光纤(206)，第一光信号准直聚焦器(207)、第二光信号准直聚焦器(208)、第三光信号准直聚焦器(209)、第一光电探测器(210)、第二光电探测器(211)和第三光电探测器(212)；所述天顶指向东或西向接收望远镜(201)，用于接收来自第二激光高反镜(116)反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第三光信号传导光纤(206)传输到第一光信号准直聚焦器(207)；所述第一光信号准直聚焦器(207)，用于将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第一光电探测器(210)的探测端面；所述第一光电探测器(210)，用于将光信号转换为电信号并将电信号输出；所述天顶指向垂直接收望远镜(202)，用于接收来自第二激光分束镜(114)反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第二光信号传导光纤(205)传输到第二光信号准直聚焦器(208)；所述第二光信号准直聚焦器(208)，用于将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第二光电探测器(211)的探测端面；所述第二光电探测器(211)，用于将光信号转换为电信号并将电信号输出；所述天顶指向南或北向接收望远镜(203)，用于接收来自第三激光高反镜(117)反射到空中的激光的后向回波散射信号，并将信号汇聚到第一光信号传导光纤(204)传输到第三光信号准直聚焦器(209)；所述第三光信号准直聚焦器(209)，用于将光信号聚焦，并将聚焦后的光信号注入到第三光电探测器(212)的探测端面；所述第三光电探测器(212)，用于将光信号转换为电信号并将电信号输出。5.根据权利要求4所述的E
‑
F区风温密金属离子探测激...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜丽芳，杨国韬，郑浩然，程学武，吴芳，吴佛菊，夏媛，焦菁，李发泉，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：