[发明专利]一种用于火星大气探测的混合型激光雷达

说明书

本发明一种用于火星大气探测的混合型激光雷达，包括单套光学收发模块从火星大气分子和尘埃中获得后向散射信号；相干平衡探测模块，将本振光与大气回波信号混频成中频电信号并转换成高速模拟电信号，经数据处理获得火星大气风场；单光子直接探测模块，对各通道光子电信号测量得到各通道光子计数；数据处理模块获得偏振光和火星气溶胶颗粒物浓度。本发明用相干探测的信噪比与直接探测的光子数对激光功率和回波信号稳定性标定，并用于探测二氧化碳气体含量。本发明用单光子直接探测动态范围大，数据处理计算量小优点，又用相干探测灵敏度高，对弱信号放大性好优点，在不增加载荷重量和复杂度情况下，解决火星大气探测激光雷达多大气参数探测的问题。

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种用于火星大气探测的混合型激光雷达。

背景技术

火星探测是国内外太阳系探测和行星科学的焦点，人类火星探测已有近60年的发展历史，探测方式从飞越到环绕遥感探测，再到无人着陆器和火星车就位探测,积累了大量科学数据。2020年，中国发射了天问一号火星探测器，中国计划在2020～2030年间开展首次火星探测和火星采样返回，全球各国的火星/火卫采样返回和火星载人探测也计划在未来10～20年内实现。

当前火星大气不足地球的1％,以二氧化碳为主，二氧化碳在大气和极地冰盖间循环,致使大气压在正常年份每年有近30％的波动。火星尘埃是火星天气的关键影响因素。火星尘埃对光的散射和吸收是控制天空颜色的主导因素，因此火星天空往往偏红色,而夕阳则偏蓝色,与地球相反。由于缺乏液态水和岩石循环机制,被侵蚀的岩石颗粒变得细小且积聚.从尘卷风到地区性或全球性尘暴，扬尘风在各种尺度都很常见，一旦扬起，尘可在大气中停留数月。

火星上的气候过程和历史是什么？气候和大气如何随时间变化？行星大气如何演化以及它们的构成和动力是什么？磁场如何影响行星体表面、大气和近空间？太阳系天体如何与其空间环境相互作用(以及后果是什么)？地质气候变化的证据和驱动因素是什么？行星级极端天气事件(例如火星尘暴)的大气演化原因、影响和作用是什么？火星气候变化对地球的气候变化有何启示？早期气候与宜居性/生命起源的关联？如何为载人探火做准备？人类在月球和火星上探索需要什么？需要什么样的火星知识才能在可接受成本、风险和性能的前提下设计和实施载人登陆任务和载人居留任务？大气动力学是否可预测？这些都是目前探测手段无法准确回答的问题，需要进一步的科学观测，尤其是新的高时空分辨、多参数火星大气遥感观测。

全光纤大气激光雷达作为热门的主动大气遥感手段，具有体积小、稳定性好、测量精度高、时间和空间分辨率高、容易实现多大气参数探测等优点，非常适合要求测量速度快、机动性高、环境恶劣的星际探测应用场景。大气激光雷达分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达。直接探测激光雷达使用光子计数探测器，通过统计回波光子数得到激光雷达消光比、大气退偏振比等大气参数；通过使用光学鉴频器，将回波多普勒频移信息转化为光子数的相对变化，实现大气风场的测量。相干探测激光雷达通过大气回波信号与本振激光的相干拍频，再通过信号功率谱实现大气风场、激光雷达消光比等大气参数测量。相干激光雷达基本结构如图1：连续波激光器CW产生中心频率为υ₀的线偏振光，经分光片后分为信号光和本振光，信号光经声光调制器AOM调制为脉冲光，并产生υ_M的频移，再由掺饵光纤放大器EDFA进行功率放大，经环形器的输入端a后通过环形器的输出端b给入并由望远镜出射。设风场对脉冲光产生的多普勒频移为υ_d，则回波信号中心频率为υ₀+υ_M+υ_d，通过环形器的输出端c输出回波信号与本振光经过耦合器后，两者的拍频信号经光电探测器转换为频率为υ_M+υ_d的中频(IF)电信号，再经采集卡ADC采样和后续电路PC数据处理分析得到风场信息。日本三菱机电有限公司报，法国LEOSPHERE公司，法国航空航天研究中心(ONERA)，英国SgurrEnergy公司，英国QinetiQ公司，美国国家大气研究中心(NCAR)以及国内均有成熟的相干测风激光雷达系统。