天基CO2通量激光探测装置的制作方法

本发明涉及光电子技术领域，具体而言，涉及一种天基co2通量激光探测装置。

背景技术：

大气中co2等温室气体浓度不断升高引起的全球变暖、极地冰盖消融、海平面上升、生态系统的物种组成改变等全球变化已成为人类最为关注的环境问题，研究地球系统的碳循环机理、全球陆地生态系统碳收支及其环境变换响应已成为当前一系列大型国际研究计划的共同核心问题。在全球碳循环和碳收支研究中发现了“碳失踪”问题，并且推测这些“失踪的碳”可能被蓄积于陆地生态系统之中。因此。如何准确地预测地球陆地生态系统与大气间净co2交换量、分析其时空分布格局，便成为地球物理、生物学家们一致致力于解决的重大科学问题。

目前观测全球生态系统的碳收支的方法是涡度相关法。它是通过快速测定大气中co2浓度与风速的协方差来计算湍流通量的一种方法，它是基于大气湍流理论和数据统计分析相结合的一种计算。其中涡度相关法经过长期的理论发展和技术改进，已经实现了对森林、草地等局部生态系统co2通量的测量。随着涡度相关通量观测在全球范围内的广泛开展，一个覆盖全球陆地生态系统的国际碳通量观测研究网络应运而生。但通量观测站点均处于远离市区的野外，经常会由于恶劣天气、系统故障或者其他外界干扰而造成通量观测仪器的失灵，并由此使得通量观测数据在数量和质量上达不到研究的要求。同时全面反演全球的碳分布将需要大量的co2探测站，因此实现难度大，成本高。除此之外，多光谱衍射光栅也是测量co2浓度分布的常用方法，它是在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度，但该测量方法无法做到全天候、全天时工作，且仅能测量co2浓度，无法得到风场信息，因此也就无法反演co2通量。

实现全球覆盖的co2浓度测量的高效手段是利用卫星遥感。例如，基于星载差分光谱探测原理的被动遥感方案，是当前较为主流的一种获取全球co2浓度分布的方式，可以在可见光和近红外谱段，利用分子吸收谱线探测二氧化碳浓度，但该测量方法无法做到全天候、全天时工作，且仅能实现大尺度范围的co2浓度测量，进而获得co2通量数据产品，但该产品已经是载荷4-5级数据产品，不仅分辨率极低，而且数据的可靠性大幅降低。目前已经规划的天基差分吸收激光雷达，可以提供更高分辨率的浓度数据，但其任务仍是以柱浓度为探测目标，不具备通量探测能力。

因此，现有基于卫星遥感的co2通量探测方式存在分辨率及可靠性低的问题。

技术实现要素：

本发明解决的是现有基于卫星遥感的co2通量探测方式存在分辨率及可靠性低的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种天基co2通量激光探测装置，所述装置包括激光模块、收发模块以及解算模块；所述激光模块包括主激光器、第一单频激光器、第二单频激光器及光开关；所述主激光器的输出波长为co2吸收峰波长，所述第一单频激光器的输出波长由所述co2吸收峰波长进行天基平台对应的多普勒频移补偿得到，所述第二单频激光器的输出波长远离所述co2吸收峰波长；所述光开关用于控制交替发出所述第一单频激光器、所述第二单频激光器的输出激光；所述收发模块包括光学收发装置及伺服系统，所述光学收发装置用于将所述输出激光发射至测量区域，以及接收所述测量区域的回波信号；所述伺服系统用于控制所述光学收发装置的出射角度；所述解算模块用于根据所述回波信号进行信号处理解算得到所述测量区域的风场廓线信息及co2浓度廓线信息，并根据所述风场廓线信息及所述co2浓度廓线信息计算得到co2通量数据。

可选地，所述激光模块还包括：脉冲激光器及激光放大器；所述光开关、所述脉冲激光器、所述激光放大器、所述光学收发装置沿光路依次设置；所述脉冲激光器用于将所述光开关输出的连续激光转换为脉冲激光输出；所述激光放大器用于将所述脉冲激光放大至探测所需功率。

可选地，所述co2吸收峰波长λpeak，所述天基平台对应的多普勒频移对应波长为δλ1，所述第二单频激光器的输出波长与所述co2吸收峰波长的差值为δλ2；根据跟随锁定技术将所述第一单频激光器的输出波长λon锁定至λpeak+δλ1，以及将所述第二单频激光器的输出波长λoff锁定至λpeak+δλ2。

可选地，所述伺服系统用于控制所述光学收发装置将所述输出激光前向发射至所述测量区域，以及将所述输出激光后向发射至所述测量区域；所述前向发射的角度与所述后向发射的角度相同；所述光学收发装置用于接收前向发射至所述测量区域的回波信号，以及接收后向发射至所述测量区域的回波信号。

可选地，所述解算模块包括风场廓线解算单元、co2浓度廓线解算单元及co2通量解算单元；所述风场廓线解算单元用于根据所述回波信号进行信号处理解算得到所述测量区域的风场廓线信息；所述co2浓度廓线解算单元用于根据所述回波信号解算得到所述测量区域的co2浓度廓线信息；或者，所述解算模块包括信号处理单元及co2通量解算单元；所述信号处理单元用于根据所述回波信号进行信号处理解算得到所述测量区域的风场廓线信息及co2浓度廓线信息；所述co2通量解算单元用于根据所述风场廓线信息及所述co2浓度廓线信息计算得到co2通量数据。

可选地，所述解算模块还包括分光装置；所述分光装置用于将所述测量区域的回波信号分成两路并进行光电转换，将两路电信号分别输入所述风场廓线解算单元及所述co2浓度廓线解算单元。

可选地，所述第一单频激光器、所述第二单频激光器通过分光光路与所述风场廓线解算单元连接，用于将激光输出至所述风场廓线解算单元作为本振光信号；所述风场廓线解算单元，用于根据所述本振光信号及所述测量区域对应回波信号的外差相干进行风场廓线的反演，得到风场廓线信息；所述测量区域对应回波信号包括所述第一单频激光器的回波信号及所述第二单频激光器的回波信号。

可选地，所述co2浓度廓线解算单元用于测量所述回波信号的功率，以及根据以下浓度反演公式解算co2浓度廓线：

其中，δσ＝σon-σoff，所述第一单频激光器的输出激光的波长为λon、吸收系数为σon，所述第二单频激光器的输出激光的波长为λoff、吸收系数为σoff，距离r处的回波功率值为p(r,λon)和p(r,λoff)，距离r+δr处的回波功率p(r+δr,λon)和p(r+δr,λoff)。

可选地，所述co2浓度廓线解算单元包括低通滤波器，所述低通滤波器用于过滤所述回波信号中的高频噪声。

本发明实施例提供的天基co2通量激光探测装置，设置于天基平台，激光模块输出波长处于co2吸收峰和偏离吸收峰的两种单频激光，通过光学收发装置将激光发射至测量区域以及接收回波信号得到测量结果，解算模块接收到测量结果后可以进行风场廓线及co2浓度廓线双重测量，测量结果可以直接用于反演测量区域的co2通量，可以高精度、高可靠性地测量地表的co2收支量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种天基co2通量激光探测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的天基水平风场的前向和后向组合观测示意图；

图3为本发明实施例的另一种天基co2通量激光探测装置的结构示意图。

附图标记说明：

101-主激光器；102-第一单频激光器；103-第二单频激光器；104-光开关；105-脉冲激光器；106-激光放大器；201-光学收发装置；202-伺服系统；301-风场廓线解算单元；302-co2浓度廓线解算单元；303-co2通量解算单元；304-分光装置；305-信号处理单元；306-相干探测单元。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种天基co2通量激光探测装置，包括激光模块、收发模块以及解算模块。图1为本发明实施例的一种天基co2通量激光探测装置的结构示意图。

(1)激光模块包括主激光器101、第一单频激光器102、第二单频激光器103及光开关104。可选地，激光模块可以输出2μm单频脉冲激光。

主激光器101的输出波长为co2吸收峰波长λpeak，第一单频激光器102的输出波长由co2吸收峰波长进行天基平台对应的多普勒频移补偿得到，第二单频激光器103的输出波长远离co2吸收峰波长；co2吸收峰波长天基平台对应的多普勒频移对应波长为δλ1，第二单频激光器103的输出波长与co2吸收峰波长的差值为δλ2；根据跟随锁定技术将第一单频激光器102的输出波长λon锁定至λpeak+δλ1，以及将第二单频激光器103的输出波长λoff锁定至λpeak+δλ2。

如图1所示，波长λpeak的主激光器101(采用co2吸收池作为参考源将频率锁定至co2吸收峰处)，波长λpeak+δλ1(δf1＝|cδλ1/(λpeak-δλ1)²|)的第一单频激光器102，以主激光器101作为基准，采用跟随锁定技术将第一单频激光器102的频率锁定至λpeak+δλ1，同时可以调节外部参考源的频率实现δλ1的动态调节。δλ1(δf1)用于补偿天基平台运动引起的多普勒频移。

波长λpeak+δλ2(δf2＝|cδλ2/(λpeak+δλ2)²|)的第二单频激光器103，同样以主激光器101作为基准，采用跟随锁定技术将第二单频激光器103的频率锁定至λpeak+δλ2，同时可以调节外部参考源的频率实现δλ2的动态调节。δλ2(δf2)的作用是调节激光器的频率使之远离co2吸收峰。同时假设v为天基平台在激光传播方向的分速度，那么可以通过以下公式计算由于天基平台运动产生多普勒频移：

δf′1＝2v/(λpeak+δλ1)，δf′2＝2v/(λpeak+δλ2)。

然后，根据跟随锁定技术设定频率偏移δλ1(或δλ2)，计算确定相对于静止第一单频激光器102的出射激光波长λon和第二单频激光器103出射的激光波长λoff。

光开关104用于控制交替发出第一单频激光器102、第二单频激光器103的输出激光。第一单频激光器102、第二单频激光器103输出的单频连续激光注入光开关104中，光开关104可以实现不同波长选通，从而使得波长为λpeak+δλ1和λpeak+δλ2的单频连续激光交替依次发出。

如图1所示，在激光模块中还包括：脉冲激光器105及激光放大器106。光开关104、脉冲激光器105、激光放大器106、光学收发装置201沿光路依次设置。脉冲激光器105用于将光开关输出的连续激光转换为脉冲激光输出；激光放大器106用于将脉冲激光放大至探测所需功率。

(2)收发模块包括光学收发装置201及伺服系统202。

光学收发装置201将输出激光发射至测量区域，以及接收该测量区域的回波信号；伺服系统202用于控制上述光学收发装置201的出射角度。

伺服系统202用于控制光学收发装置201将输出激光前向发射至测量区域，以及将输出激光后向发射至测量区域。上述前向发射的角度与后向发射的角度相同。光学收发装置201可以接收前向发射至测量区域的回波信号，以及接收后向发射至测量区域的回波信号。

伺服系统202可以控制光学收发装置201偏转。为了实现水平风场廓线的反演，伺服系统202通过控制发光学装置201实现前向和后向两个方向的探测，利用两次回波信号反演水平风速。参见图2所示的天基水平风场的前向和后向组合观测示意图，天基平台沿箭头方向运行，a点为前向激光出射位置，经大气传输至f点后散射，并在b接收；d点为后向激光出射位置，经大气传输至f点后散射，并在e点接收。

伺服系统202还与光开关104连接，用于控制光开关104发出的激光，即控制光开关104允许第一单频激光器102的输出激光通过，或者允许第二单频激光器103的输出激光通过。

(3)本实施例提供了解算模块的两种可行方案。作为第一种可行方案，解算模块包括风场廓线解算单元301、co2浓度廓线解算单元302及co2通量解算单元303，作为第二种可行方案，解算模块包括信号处理单元305及co2通量解算单元303。

在上述第一种可行方案中，风场廓线解算单元301采用相干探测解算风场的多普勒频移，反演测量区域的风场廓线信息。co2浓度廓线解算单元302采用直接探测解算回波信号功率，反演测量区域的co2浓度廓线信息。co2通量解算单元303用于根据风场廓线信息及co2浓度廓线信息计算得到co2通量数据。

进一步，解算模块还可以包括分光装置304；该分光装置304用于将测量区域的回波信号分成两路，将两路回波光信号分别输入风场廓线解算单元301及co2浓度廓线解算单元302。需要说明的是，第一单频激光器102、第二单频激光器103通过分光光路与风场廓线解算单元301连接，用于将激光输出至风场廓线解算单元301作为本振光信号。

具体地，上述风场廓线解算单元301，用于根据本振光信号及测量区域对应回波信号的外差相干进行风场廓线的反演，得到风场廓线信息；测量区域对应回波信号包括第一单频激光器的回波信号及第二单频激光器的回波信号。光学收发装置201接收回波信号连接至分光装置304，将回波光信号分为两路并进行光电转换；两路信号分别通过风场廓线解算单元301及co2浓度廓线解算单元302进行信号处理，得到测量区域的风场廓线和co2浓度廓线信息。根据前向和后向的径向风场值以及前向、后向在地球坐标系下的位置，解算得到水平风场廓线，并传输至co2通量解算单元303，根据水平风场廓线和co2浓度廓线得到co2通量。

在上述第二种可行方案中，信号处理单元305采用相干探测方式解算测量区域的多普勒频移和强度信息，以反演风场廓线信息及co2浓度廓线信息；co2通量解算单元303用于根据风场廓线信息及co2浓度廓线信息计算得到co2通量数据。参见图3所示的另一种天基co2通量激光探测装置的结构示意图，与图1中示出的天基co2通量激光探测装置的结构不同，上述解算模块包括信号处理单元305、相干探测单元306及co2通量解算单元303。天基co2通量激光探测装置的除解算模块外的其他组成部分与上述第一种可行方案中相同，在此不再赘述。

光学收发装置201接收回波信号连接至相干探测单元306，信号处理单元305用于根据回波信号进行信号处理解算。需要说明的是，信号处理单元305可以实现上述风场廓线解算单元301及co2浓度廓线解算单元302的全部功能。

本发明实施例提供的天基co2通量激光探测装置，设置于天基平台，激光模块输出波长处于co2吸收峰和偏离吸收峰的两种单频激光，通过光学收发装置将激光发射至测量区域以及接收回波信号得到测量结果，解算模块接收到测量结果后可以进行风场廓线及co2浓度廓线双重测量，测量结果可以直接用于反演测量区域的co2通量，可以高精度、高可靠性地测量地表的co2收支量。

可选地，以解算模块的第一种可行方案为例，风场廓线解算单元301、co2浓度廓线解算单元302的具体功能分述如下：

风场廓线解算单元301采用激光相干探测方式，利用回波光信号与本振光的外差相干实现风场廓线的反演。

具体流程为：回波光信号与对应的本振光信号在探测器端面相干产生射频信号，该信号含有激光的多普勒频移，此时λon和λoff均参与风场廓线解算。co2浓度廓线解算单元包括低通滤波器，低通滤波器用于过滤回波信号中的高频噪声。

由于激光出射后远距离目标的回波功率极低，该区域的信号被认为完全是噪声，将其作为噪声基底来对消近距离回波的噪声；然后依次通过数据累加提高回波载噪比、带通滤波器滤除带宽以外的噪声、射频放大器提高回波信号强度。

风场廓线测量是通过短时傅里叶变换实现风场廓线的解算，具体为设定距离分辨率，调节短时傅里叶变换的重叠因子得到随时间变化的多普勒频移，根据时间-多普勒关系换算得到风场廓线。例如，回波射频信号依次通过带通滤波器滤除噪声、射频放大器提高回波信号强度，最后设定风场廓线的距离分辨率，调节短时傅里叶变换的重叠因子得到随时间变化的多普勒频移，根据时间-多普勒关系换算得到风场廓线信息v(r)。

co2浓度廓线解算单元302采用直接探测方式，通过连续依次测量回波信号λon和λoff的功率来反演co2浓度。

具体流程为：回波光信号进入单光子探测器，得到回波信号功率，经过数据解析分辨on/off回波信号，然后依次通过数据累加降低功率抖动。由于激光出射后远距离目标的回波功率极低，该区域的信号被认为完全是噪声，将其作为噪声基底来对消近距离回波的噪声。

回波功率是通过检测外差信号的强度来实现的，由于大气湍流和散斑噪声的影响，信号功率难以精确测量。

回波信号的载噪比cnr＝＜pi>/<pn>(其中，＜pi>是回波信号的平均值，＜pn>是回波信号的噪声)与信噪比snr＝<pi>/σ(<pi>)满足以下公式：

其中，mp是累计次数，δtr为测量时间，tc为脉冲宽度，通常δtr≤tc。为了提高信号的强度解调精度，回波功率抖动需要尽可能减低，即snr越高，功率测量精度越高。从上述公式可以发现，当载噪比较大时，回波信噪比与成正比，与成正比。因此提高累计次数能显著提高回波信噪比，降低强度抖动。当co2浓度数据的刷新率固定时，提高脉冲的重复频率是提高测量精度的主要方法。

然后，co2浓度廓线解算单元测量回波信号的功率，以及根据以下浓度反演公式解算co2浓度廓线：

其中，δσ＝σon-σoff，第一单频激光器的输出激光的波长为λon、吸收系数为σon，第二单频激光器的输出激光的波长为λoff、吸收系数为σoff，距离r处的回波功率值为p(r,λon)和p(r,λoff)，距离r+δr处的回波功率p(r+δr,λon)和p(r+δr,λoff)。由于仅测量功率值，因此通过低通滤波器滤去高频噪声。

联合分析co2浓度廓线和风场廓线，获得co2通量数据。例如，在近地面处，根据边界层理论，根据co2浓度廓线和风场廓线迭代计算可得到大气边界层co2通量数据。

需要说明的是，信号处理单元305可以实现风场廓线解算单元301及co2浓度廓线解算单元302的全部功能。

本发明实施例提供的天基co2通量激光探测装置，利用单频脉冲激光的外差相干探测原理实现径向风场测量，两个波长分别处于co2吸收峰和偏离吸收峰的直接差分吸收探测原理实现co2浓度测量，具备风场廓线和co2浓度廓线分布的双重测量功能。为了反演水平风速廓线，提出了前向和后向组合观测的方案，测量结果能直接用于反演测量区域的co2通量，进而高精度地测量地表的co2收支量，构建全球co2循环测量体系。

当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。