[发明专利]探测对流层大气温度垂直廓线的微脉冲激光雷达

说明书

本发明公开了一种探测对流层大气温度廓线的微脉冲激光雷达的组成。通过相位调制技术和负反馈网络，将第一个DFB二极管激光器的波长稳定在H¹³C¹⁴N气体R3吸收线上，将第三个DFB二极管激光器的连续波激光，锁定在钾原子770.1085nm(offline)吸收线的两倍波长上。再以H¹³C¹⁴N气体R3吸收线为波长基准，将第二个DFB二极管激光器偏频锁定在氧气的吸收线769.8992nm(online)的两倍波长处。声光调制器对连续波激光斩波的重复频率为10kHz量级，光纤放大器使脉冲激光能量达到10μJ量级。探测系统的一个通道采用钾原子陷波滤波器，双通道对(offline)回波光检测的强度不同，以此双通道信号推断Mie/Rayleigh强度比值。然后再由769.8992nm/770.1085nm双波长差分吸收激光雷达方程，和770.1085nm高光谱分辨率激光雷达方程，联合求解大气温度。

技术领域

本发明涉及到一种可以探测大气对流层温度垂直廓线的仪器，涉及探测大气对流层温度垂直廓线的激光雷达，特别涉及到一种可以探测大气对流层温度垂直廓线的微脉冲差分吸收激光雷达硬件构成。

背景技术

大气温度是重要的大气热力学参数，在空间和时间分布方面，大气对流层的热力学廓线数据，仍存在着很大的需求缺口。时间方面，无线电探空气球只能在一天当中的两次固定时间释放；空间方面，无线电探空气球只能在固定的气象观测站进行。发展廉价的、地基的、可网络化、广泛布置的主动遥感仪器是大气科学机构的普遍需求。可能有几种仪器和技术能有效地填补这些观测空白，包括被动和主动遥感技术。目前，激光雷达系统被认为最有潜力填补对流层大气热力学廓线观测数据的缺口。

直到今天，基于非弹性后向散射的Raman激光雷达系统，是唯一能够提供对流层下半部分的热力学廓线的遥感工具。这些系统既可以用振动Raman技术测量大气水汽混合比，也可以用转动Raman技术探测大气温度。Raman激光雷达技术的吸引力在于它的原理简单，但是，Raman激光雷达的实施却并不简单。另外，Raman后向散射的低效率使得激光雷达系统需要更高的(发射) 功率×(接收)孔径积。532nm激光脉冲能量不小于300mJ，脉冲重复频率不大于50Hz，脉冲时间宽度10ns左右，望远镜主镜的直径均大于400mm(多数使用直径600mm)。系统中的激光器具有高峰值功率，使得无人值守和人眼安全成为相当大的挑战。目前，据我们的所知，世界范围内4套Raman激光雷达系统(荷兰气象研究所的Caeli激光雷达系统，瑞士的RALMO系统，德国大气辐射测量项目Raman激光雷达系统，以及DRAMSES激光雷达系统) 都已经表明，具有在自动化和无人值守方式下运行的需求，但这4套系统，没有一个系统的技术状态被设计成，便于网络化布置。另外，养护和维持费用也与高峰值功率的激光器的使用相关联，此外，Raman激光雷达需要无线电探空的方法为之定标。Raman激光雷达这些固有的特征，人眼安全的担忧，需要频繁的标定和维修，高昂的成本，是网络化布置的主要挑战。

相对于Raman激光雷达系统，差分吸收激光雷达能够激发更高效率的弹性后向散射。弹性的Mie-Rayleigh后向散射效率比非弹性的Raman后向散射效率高几个数量级，它显著地缓解了激光雷达系统对高的功率×孔径积的要求。这一效率允许有效的商业化、低成本，结构紧凑的、低功耗的、基于半导体器件的微脉冲激光雷达系统的使用。尤其对流层下半部分的气溶胶，增强了后向散射信号。差分吸收激光雷达在工作波长方面一般很少有灵活性，精确地受限于成分气体的吸收光谱，而且典型地要求激光器窄的线宽和高的光频稳定性。采用二极管激光器的微脉冲结构能满足这样的要求，而且也符合人眼安全设计(Class 1或1M) 展现了同时满足长期无人值守和网络化布置的前景。另外，窄带的差分吸收激光雷达不需要辅助的大气观测设施，如无线电探空气球为之定标，它属于自定标探测仪器。