本發(fā)明涉及一種激光掩星信號生成與探測設(shè)備，具體涉及一種測量溫度場、風(fēng)場、特征氣體成分濃度的大氣激光掩星探測設(shè)備，屬于大氣遙感測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

掩星技術(shù)是眾多大氣遙感測量方法之一，對大氣化學(xué)和全球氣候變化監(jiān)測具有重要價值。現(xiàn)有的掩星技術(shù)是以無線電信號為載體，具體工作過程為當(dāng)無線電信號穿過行星大氣層時，由于折射率梯度的存在，電波信號會彎曲.利用這種彎曲信息，可以反演大氣折射率，并在一定的近似條件下可以進(jìn)一步反演對應(yīng)的大氣物理參量包括密度、溫度、水汽等。相比于傳統(tǒng)的探空氣球和探空火箭，無線電掩星技術(shù)具有區(qū)域、高測量范圍廣、測量精度高等優(yōu)點。不過由于無線電信號在電磁波譜中波長較長，測量精度受限，且無法測量溫室氣體如甲烷、二氧化碳等的成分和濃度。而激光掩星技術(shù)以激光為載體，能較好的彌補(bǔ)無線電掩星技術(shù)的缺點，具有較好的測量精度，同時激光信號覆蓋溫室氣體的吸收峰，可以較好測量溫室氣體的成分和濃度。所以大氣激光掩星技術(shù)是未來掩星技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。

中國專利“一種單載體多天線掩星信號生成系統(tǒng)”，公開號為CN103675845 A，專利提出了單載體多天線掩星信號生成系統(tǒng)，具體包括直達(dá)星-掩星數(shù)據(jù)實時生成單元和直達(dá)星-掩星實時承擔(dān)單元。發(fā)明能夠仿真處導(dǎo)航定位信號、電離層掩星信號和中性大氣掩星信號，實現(xiàn)了對單載體多天線掩星信號的真實生成，并可以組成掩星信號源仿真網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多顆星掩星信號仿真模擬。該專利掩星信號為無線電信號，無法測量大氣特征氣體的成分和濃度。無線電信號與激光掩星信號產(chǎn)生和探測有較大區(qū)別。國外僅是報道了激光掩星地面實驗結(jié)果和部分反演算法，沒見有探測設(shè)備的具體設(shè)計，國內(nèi)大氣激光掩星技術(shù)未見報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有掩星信號生成系統(tǒng)掩星信號為無線電信號，無法測量大氣特征氣體的成分和濃度的問題，提出一種大氣激光掩星信號生成與探測設(shè)備。

本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：

大氣激光掩星信號生成與探測設(shè)備，其特征是，頻率與功率穩(wěn)定電路與量子阱激光器陣列電路連接；量子阱激光器陣列、光束耦合器、光纖隔離器和功率放大器依次光纖連接；功率放大器的輸出光纖位于光學(xué)發(fā)射天線的焦點位置；第一濾光片位于功率放大器和光學(xué)發(fā)射天線光路之間，并與光軸成45°夾角放置；第一準(zhǔn)直鏡與第一濾光片反射光路對準(zhǔn)；第一二維振鏡與第一準(zhǔn)直鏡的光軸成135°夾角放置，第二濾光片與第一二維振鏡平行放置，第一耦合透鏡與第二濾光片透射光路對準(zhǔn)，第一信標(biāo)光激光器輸出端口位于第一耦合透鏡的焦點處；第二耦合透鏡與第二濾光片反射光路對準(zhǔn)，第一成像相機(jī)靶面位于第二耦合透鏡的焦點處；光學(xué)接收天線和第三準(zhǔn)直鏡組合形成無焦系統(tǒng)；第三濾光片位于光學(xué)接收天線和第三準(zhǔn)直鏡之間，且與光軸成135°夾角放置；第二準(zhǔn)直鏡與第三濾光片的反射光路對準(zhǔn)；第二二維振鏡與第二準(zhǔn)直鏡的光軸成45°夾角放置，第四濾光片與第二二維振鏡平行放置，第三耦合透鏡與第四濾光片透射光路對準(zhǔn)，第二信標(biāo)光激光器輸出端口位于第三耦合透鏡的焦點處；第四耦合透鏡與第四濾光片反射光路對準(zhǔn)，第二成像相機(jī)靶面位于第四耦合透鏡的焦點處；第三準(zhǔn)直鏡、柱面鏡與衍射光柵同軸設(shè)置，衍射光柵傾斜放置；成像反射鏡接收衍射光柵的衍射光；成像CCD位于成像反射鏡的焦點處；成像CCD、信號處理電路和數(shù)據(jù)反演模塊依次電路連接。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出星載大氣激光信號生成與探測設(shè)備的具體設(shè)計和硬件實現(xiàn)，突破了現(xiàn)有掩星信號生成系統(tǒng)掩星信號為無線電信號的技術(shù)研究；該設(shè)備將捕獲跟蹤硬件融合到大氣激光掩星中，可以滿足星載遠(yuǎn)距離大氣掩星探測的要求；該設(shè)備測量的溫度，風(fēng)場等參數(shù)精度高，而且可以測量大氣特征氣體的成分和濃度。

本發(fā)明所述大氣激光掩星信號生成與探測設(shè)備在大氣化學(xué)、全球氣候變化、軍事戰(zhàn)場飛行器監(jiān)視等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明大氣激光掩星信號生成與探測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，大氣激光掩星信號生成與探測設(shè)備，包括頻率與功率穩(wěn)定電路1、量子阱激光器陣列2、光束耦合器3、光纖隔離器4、功率放大器5、光學(xué)發(fā)射天線6、第一濾光片7、第一準(zhǔn)直鏡8、第一二維振鏡9、第二濾光片10、第一耦合透鏡11、第一信標(biāo)光激光器12、第二耦合透鏡13、第一成像相機(jī)14、光學(xué)接收天線15、第三濾光片16、第二準(zhǔn)直鏡17、第二二維振鏡18、第四濾光片19、第三耦合透鏡20、第二信標(biāo)光激光器21、第四耦合透鏡22、第二成像相機(jī)23、第三準(zhǔn)直鏡24、柱面鏡25、衍射光柵26、成像反射鏡27、成像CCD28、信號處理電路29和數(shù)據(jù)反演模塊30。

頻率與功率穩(wěn)定電路1與量子阱激光器陣列2電路連接。所述量子阱激光器陣列2為多個量子阱激光器組合，每個激光器發(fā)射波段為2.1-2.4μm。

量子阱激光器陣列2、光束耦合器3、光纖隔離器4和功率放大器5依次光纖連接。功率放大器5的輸出光纖位于光學(xué)發(fā)射天線6的焦點位置。所述功率放大器5為半導(dǎo)體光放大器，用于放大激光器發(fā)射處的光。

第一濾光片7位于功率放大器5和光學(xué)發(fā)射天線6光路之間，并與光軸成45°夾角放置。第一準(zhǔn)直鏡8與第一濾光片7反射光路對準(zhǔn)。第一二維振鏡9與第一準(zhǔn)直鏡8的光軸成135°夾角放置，第二濾光片10與第一二維振鏡9平行放置，第一耦合透鏡11與第二濾光片10透射光路對準(zhǔn)，第一信標(biāo)光激光器12輸出端口位于第一耦合透鏡11的焦點處。第二耦合透鏡13與第二濾光片10反射光路對準(zhǔn)，第一成像相機(jī)14靶面位于第二耦合透鏡13的焦點處。

光學(xué)接收天線15和第三準(zhǔn)直鏡24組合形成無焦系統(tǒng)，第三濾光片16位于光學(xué)接收天線15和第三準(zhǔn)直鏡24之間，且與光軸成135°夾角放置。第二準(zhǔn)直鏡17與第三濾光片16的反射光路對準(zhǔn)。第二二維振鏡18與第二準(zhǔn)直鏡17的光軸成45°夾角放置，第四濾光片19與第二二維振鏡18平行放置，第三耦合透鏡20與第四濾光片19透射光路對準(zhǔn)，第二信標(biāo)光激光器21輸出端口位于第三耦合透鏡20的焦點處。第四耦合透鏡22與第四濾光片19反射光路對準(zhǔn)，第二成像相機(jī)23靶面位于第四耦合透鏡22的焦點處。柱面鏡25、衍射光柵26、成像反射鏡27和第三準(zhǔn)直鏡24光路對準(zhǔn)。衍射光柵26傾斜放置。所述柱面鏡25用于形成線性光并投射到衍射光柵26。所述衍射光柵26屬于2μm波段光柵，用于分離該波段的光。所述成像反射鏡27為非球面反射鏡，鍍有2μm波段反射膜。

成像CCD28位于成像反射鏡27的焦點處。所述成像CCD28為2μm波段的成像CCD。信號處理電路29、數(shù)據(jù)反演模塊30和成像CCD28電路連接。

所述光學(xué)發(fā)射天線6和光學(xué)接收天線15鍍有2μm波段和0.8μm波段的增透膜。

所述第一濾光片7和第三濾光片15用于分離2μm波段和0.8μm波段的光。

所述第二濾光片10和第四濾光片19用于分離第一信標(biāo)光激光器12和第二信標(biāo)光激光器21所發(fā)射出的激光，兩激光器波長差大于20nm。

所述第一成像相機(jī)14和第二成像相機(jī)23屬于0.8μm波段的粗精復(fù)合跟蹤用相機(jī)。

本發(fā)明大氣激光掩星信號生成與探測設(shè)備具體工作過程如下：

捕獲指向跟蹤過程：由第一信標(biāo)光激光器12發(fā)射出信標(biāo)光經(jīng)由第一耦合透鏡11、第二濾光片10、第一二維振鏡9、第一準(zhǔn)直鏡8、第一濾光片7和光學(xué)發(fā)射天線6發(fā)射出去；

經(jīng)過大氣后的信標(biāo)光由光學(xué)接收天線15、第三濾光片16、第二準(zhǔn)直鏡17、第二二維振鏡18、第四濾光片19和第四耦合透鏡22進(jìn)入第二成像相機(jī)23；根據(jù)第二成像相機(jī)23靶面的光斑位置差信息調(diào)節(jié)第二二維振鏡18，使得第二成像相機(jī)23靶面的光斑進(jìn)入靶面中心。此時，第二信標(biāo)光激光器21發(fā)出信標(biāo)光經(jīng)由第三耦合透鏡20、第四濾光片19、第二二維振鏡18、第二準(zhǔn)直鏡17、第三濾光片16和光學(xué)接收天線15發(fā)射出去；經(jīng)過大氣后的信標(biāo)光由光學(xué)發(fā)射天線15第一濾光片7、第一準(zhǔn)直鏡8、第一二維振鏡9、第二濾光片10和第二耦合透鏡13進(jìn)入第一成像相機(jī)14；根據(jù)第一成像相機(jī)14靶面的光斑位置差信息調(diào)節(jié)第一二維振鏡9，使得第一成像相機(jī)14靶面的光斑進(jìn)入靶面中心。從而完成捕獲指向跟蹤。

大氣參數(shù)測試過程：頻率與功率穩(wěn)定電路1控制量子阱激光器陣列2的頻率漂移和功率漂移。量子阱激光器陣列2發(fā)出激光，多路多波長激光經(jīng)由光束耦合器3合為一束光經(jīng)過光纖隔離器4進(jìn)入功率放大器5進(jìn)行能量放大。放大后的激光由光學(xué)發(fā)射天線6發(fā)射出去。經(jīng)過大氣吸收和偏折的多波長激光由光學(xué)接收天線15、第三濾光片16、第三準(zhǔn)直鏡24進(jìn)入柱面鏡25轉(zhuǎn)變?yōu)榫€形光束，線形光束進(jìn)入衍射光柵26衍射分離為不同波長的光。經(jīng)過衍射分離的光經(jīng)由成像反射鏡27會聚到成像CCD28上。成像CCD28上可以得到入射光的波長及相關(guān)譜強(qiáng)度。所得信號由信號處理電路29預(yù)先處理并輸給數(shù)據(jù)反演模塊30。由于多波長激光經(jīng)過大氣時將發(fā)生偏折、產(chǎn)生多普勒頻移、被溫室氣體吸收，數(shù)據(jù)反演模塊30預(yù)先處理過的數(shù)據(jù)可以反算出大氣的溫度場、風(fēng)場以及溫室氣體的成分和濃度。