[发明专利]一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法

说明书

技术领域

本发明涉及大气探测技术领域，具体涉及一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法。

背景技术

在利用激光进行大气风场和温度的测量中，589nm激光已经被应用到钠荧光多普勒激光雷达中。钠荧光多普勒激光雷达发射的窄线宽589nm激光使中间层顶区域(约75-105km)的钠原子产生共振荧光，通过接收并分析共振荧光的多普勒频移和展宽获得大气风场和温度。

1990年美国科罗拉多州立大学和伊利诺伊大学合作建立了国际首台钠荧光多普勒激光雷达，进行中间层顶区域(约75-105km)大气温度的探测。2002年美国科罗拉多州立大学的钠荧光多普勒激光雷达升级为两个发射光束，实现了大气风场与温度的同时观测。2011年，中国科学院空间科学与应用研究中心研制完成了中国首台钠荧光多普勒激光雷达，实现了对中间层顶区域大气风场和温度的测量。随后，2012年，中国科学技术大学也完成了钠荧光多普勒激光雷达的研制。钠荧光多普勒激光雷达已成为探测中间层顶区域大气风场和温度的重要手段，对中高层大气的科学研究具有重要的意义。

现有的钠荧光多普勒激光雷达探测得到的信号主要包括大气瑞利散射信号和钠荧光散射信号。大气瑞利散射信号主要来自于对流层与平流层区域；钠荧光散射信号主要来自于中间层顶区域。目前，主要使用钠荧光散射信号进行中间层顶区域的大气风场和温度测量，而对流层、平流层的大气散射信号没有得到利用。2009年，科罗拉多大学开展了利用对流层、平流层大气散射信号探测大气风场的研究工作，使用一钠原子磁光滤波器检测589nm激光散射信号的多普勒频移和展宽。由于钠原子磁光滤波器的结构比较复杂，其稳定性受钠原子泡温度、磁场、光路等多种因素制约，从而限制了其推广使用。

发明内容

本发明的目的在于，为了更好地解决利用钠荧光多普勒激光雷达瑞利散射信号测量大气风场和温度的技术问题，使钠荧光多普勒激光雷达的探测高度范围由大气的中间层扩展至平流层和对流层，本发明提供一种利用589nm激光大气瑞利散射信号测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达及方法。该方法不仅容易实现，而且比较稳定可靠。

为实现上述目的，本发明提供的一种测量大气风场和温度的钠荧光多普勒激光雷达，包括：激光发射器、大气散射信号接收器、钠荧光散射信号测量器、大气瑞利散射信号测量器、信号采集器；

所述的激光发射器用于向大气发射不同频率的589nm激光，所述的大气散射信号接收器接收由大气中间层顶区域产生的钠荧光散射信号，以及由对流层、平流层产生的大气瑞利散射信号，并将其输出端分两路分别连接钠荧光散射信号测量器和大气瑞利散射信号测量器，所述的钠荧光散射信号测量器接收不同频率的钠荧光散射信号，并通过分析获得中间层顶区域的温度值和风速值；所述的大气瑞利散射信号测量器接收不同频率的大气瑞利散射信号，并测量各频率的大气瑞利散射信号透过该大气瑞利散射信号测量器中设有的碘分子吸收光谱仪的光强后，计算获得对流层、平流层的温度值和风速值，所述的信号采集器用于采集并判读钠荧光散射信号测量器和大气瑞利散射信号测量器输出的电信号，提取光强数据。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的大气瑞利散射信号测量器包括：准直镜、背景光抑制器、碘分子吸收光谱仪、耦合镜和光电探测器；所述的准直镜通过光纤与大气散射信号接收器的输出端连接，并依次连接背景光抑制器、碘分子吸收光谱仪、耦合镜和光电探测器；所述的大气瑞利散射信号依次经准直镜准直操作、背景光抑制器滤除天空背景光及透过碘分子吸收光谱仪后，由耦合镜将大气瑞利散射信号汇聚到光电探测器，并通过该光电探测器测量透过碘分子吸收光谱仪后的信号光强。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的大气散射信号接收器包括两个信号接收通道，所述的两个信号接收通道以两个不同的方向接收钠荧光散射信号和大气瑞利散射信号，且每一个信号接收通道的输出端均分两路连接钠荧光散射信号测量器和大气瑞利散射信号测量器，使得钠荧光散射信号测量器以两路接收来自两个不同方向上的钠荧光散射信号，用于测量大气中间层顶区域的温度值和水平风场，使得大气瑞利散射信号测量器以两路接收来自两个不同方向上的大气瑞利散射信号，用于测量对流层、平流层的温度值和水平风场。

本发明还提供了一种测量大气风场和温度的方法，该方法包括：

步骤1)利用激光发射器依次向大气发射三个不同频率的589nm激光；