[发明专利]一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统及方法

说明书

一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统及方法，属于激光遥感技术领域。本发明通过发射并接收波长可调谐激光获得大气光谱吸收峰，再通过反演手段计算得到大气分子密度信息。可用于高空痕量气体高精度高分辨密度廓线探测，可有效适应卫星多普勒频移干扰；通过优选激光波长，可以覆盖5km以上任意高度，相对于被动掩星探测技术，通过卫星构建探测网络可以控制观测时间和空间覆盖。

技术领域

本发明涉及一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统及方法，属于激光遥感技术领域。

背景技术

大气成分密度的垂直分布称为该大气成分密度廓线，大气密度廓线一般指大气成分密度总和的垂直分布。大气密度廓线和大气成分密度廓线是气象、气候、环境等应用中重要的测量目标。

目前针对大气密度廓线测量的星载遥感技术主要有GPS掩星技术、临边大气探测技术、对地光谱仪技术、固定波长激光掩星技术等。

GPS掩星技术主要用于50km以下大气密度廓线探测，其不足在于只能测量总密度和水汽密度廓线，50km以上中性大气及其它痕量气体成分难以测量；

临边大气探测技术可以获得多种大气成分的垂直分布，但其受到光谱分辨率和信噪比限制，且受到背景干扰影响，在垂直分辨率和精度方面有较大不足；

固定波长激光掩星技术理论上可以解决全高程多种大气成分密度廓线测量问题，但需要进行高稳定性波长控制，且在实际观测中需要根据轨道条件实时进行高精度高可靠的波长偏置，复杂度和成本较高，适应性有较大不足。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统及方法，通过发射并接收波长可调谐激光获得大气光谱吸收峰，再通过反演手段计算得到大气分子密度信息。

本发明的技术解决方案是：一种基于可调谐激光的掩星大气密度廓线测量系统，包括激光发射机、激光接收机和数据处理模块；

激光发射机包括光谱激光器、能量监测器、发射计时器和发射光学系统；光谱激光器发射波长调谐激光，波长调谐激光的第一部分进入能量监测器，由能量监测器测量波长调谐激光的波长及能量，并将测得的波长及能量发送至发射计时器，由发射计时器记录发射波长及能量对应的时刻，并将发射能量和时刻数据传输给数据处理模块；波长调谐激光的第二部分进入发射光学系统，经发射光学系统后进入地球大气并最终到达激光接收机；

激光接收机包括接收光学系统、光电探测采样模块和接收计时器；接收光学系统接收波长调谐激光的第二部分，然后将第二部分发送至光电探测采样模块，由光电探测采样模块测量接收到的激光的能量，把测得的能量发送至接收计时器，并由接收计时器记录下能量到达时刻，并将接收能量和时刻数据传输给数据处理模块；

数据处理模块接收发射能量和时刻数据以及接收能量和时刻数据，计算掩星过程中光路与大气层切点高度上的密度，由不同切点高度上的密度构建密度廓线。

进一步地，所述第一部分的能量占比不大于波长调谐激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。

进一步地，所述波长调谐激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。

进一步地，其特征在于：所述密度为其中， {L(h_i,h_j)}为过各切点高度的传输路径离散长度，N_s(h_i)为由背景库给出的高度层h_i处的初始分子数密度，Δσ(h_i)为高度层h_i处的分子吸收截面，为吸收峰透过率，i为切点高度层序号，j为分层大气模型下指定切点高度时所过各高度层的序号，Q为激光传输路径经过的大气层数。