[发明专利]测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线的激光雷达系统

权利要求书

1.一种测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统，包括激光发射模块、回波接收模块和数据采集与处理模块，其特征在于，

所述的激光发射模块，包括：1645nm在线种子激光器(1)、第一1645nm离线种子激光器(2)、第二1645nm离线种子激光器(3)、1064nm泵浦激光器(4)、激光器锁频模块(5)、光参量振荡器(6)、倍频模块(7)和发射光学组件(8)；所述的1645nm在线种子激光器(1)、第一1645nm离线种子激光器(2)和第二1645nm离线种子激光器(3)输出种子光，并注入所述的光参量振荡器(6)作为起振种子光，所述的1064nm泵浦激光器(4)输出1064nm泵浦光注入所述的光参量振荡器(6)作为泵浦源；所述的激光器锁频模块(5)的输出端与所述的光参量振荡器(6)第二输入端相接，通过动态调节腔长锁定所需的频率；所述的光参量振荡器(6)产生的1645nm脉冲光，进入所述的倍频模块(7)产生822nm倍频激光和剩余的1645nm基频光，经所述的发射光学组件(8)大部分进入大气；小部分进入积分球模块(9)，用于监测剩余1645nm基频脉冲能量E1_on0、E1_off0；

所述的回波接收模块，包括光学接收望远镜组件(10)、分光镜(11)、第一滤光器组件(12)、第二滤光器组件(13)、第一光电探测器(14)和第二光电探测器(15)；经过大气吸收的激光回波信号进入所述的光学接收望远镜组件(10)接收，所述的分光镜(11)将所述的激光回波信号分为两路，即1645nm信号光和822nm信号光，所述1645nm信号光经过所述的第一滤光器组件(12)后被所述的第一光电探测器(14)接收E1_on、E1_off，所述822nm信号光经过所述的第二滤光器组件(13)后被所述的第二光电探测器(15)接收P_on、P_off；

所述的数据采集与处理模块(16)与所述回波接收模块相连，负责激光雷达系统后续数据采集与运算：

甲烷柱浓度

水汽在激光路径不同位置处的浓度

式中：为甲烷的差分光学厚度IWF为甲烷的权重函数沿路径的积分；σ_on、σ_off为水汽在online和offline处的吸收截面，ΔR＝R2-R1，R1、R2为激光路径上任意两点与雷达的距离。

2.根据权利要求1所述的测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统，其特征在于，所述的1645nm在线种子激光器(1)、第一1645nm离线种子激光器(2)和第二1645nm离线种子激光器(3)需输出三个波长相差很小且分别位于甲烷1645nm吸收峰和吸收谷处的种子光，该种子光具有高频率稳定性、功率较低的连续波。

3.根据权利要求1所述的测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统，其特征在于，所述的光参量振荡器(6)与上述种子激光器和所述的1064nm泵浦激光器(4)构成种子注入的光参量振荡器，产生窄线宽的放大脉冲激光。

4.根据权利要求1所述的测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统，其特征在于，所述的激光器锁频模块(5)通过种子激光和所述的光参量振荡器(6)的输出拍频检测控制压电陶瓷动态调节腔长，将输出激光精准锁定。

5.根据权利要求1所述的测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统，其特征在于，所述的激光发射模块中，根据甲烷1645nm和水汽822nm吸收线的倍频关系，采用所述的倍频模块(7)代替种子光、谐振腔等产生822nm的激光。

6.根据权利要求1所述的测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统，其特征在于，所述的分光镜(11)分别将回波中1645nm波段信号和822nm波段信号光分为两路，分别对应水汽和甲烷的探测通道。

7.根据权利要求1所述的测量大气甲烷柱浓度和水汽廓线浓度的激光雷达系统，其特征在于，所述的第一滤光器组件(12)、第二滤光器组件(13)分别将水汽和甲烷探测通道收集的信号中的太阳背景光等杂光滤除。