基于氧气近红外吸收光谱的临近空间大气温压廓线星间激光掩星探测方法研究

Near space is defined as the atmospheric area between 20 and 100 km above the ground. It is the transition area from meteorological active area at low atmosphere to the space. Detecting atmospheric temperature and pressure profiles at this region with satellite-based payload is of great meaningful for meteorological and climatic researches and applications, high-altitude aircraft missions and space activities support. .Scanning widened absorption spectrum of oxygen by pulsed laser with fixed frequency interval between adjacent pulses, the atmospheric temperature and pressure can be fitted. Based on this principle, this project proposed an inter-low-earth-orbit-satellite laser occultation method based on near infrared oxygen absorption spectral features. Its feasibility on detecting atmospheric temperature and pressure profiles at near space will be studied via theoretical analysis and numerical simulation. According to the analysis results, we will provide the major technical indicators for payload development. The data inversion algorithm of this method does not rely on atmospheric hydrostatic equilibrium assumption. The system works at the second harmonic region of Erbium-doped fiber amplifier, which is advantageous for the high-power laser output using the optical fiber scheme. This project will also verify a laser scheme that implements pulsed laser output at equal frequency intervals and carry out desktop demonstration experiments of temperature and pressure detection..The implementation of this project will provide new spaceborne load ideas for the near-space meteorological support. The detection method used is also expected to be applied to laser occultation detection of other atmospheric gas concentration profiles.

临近空间定义为距地面20-100km大气区域，是低层大气气象活跃区向太空的过度地带，利用卫星载荷探测该区域大气温度、压强廓线，对气象气候研究与应用、高空飞行器和航天活动保障都有着重要意义。.利用等频率间隔脉冲激光串对展宽的氧气吸收谱线进行扫描，可拟合大气温度与压强。利用此原理，本项目提出一种基于近红外氧气吸收光谱特征的低轨星间激光掩星探测方法，通过理论分析与数值模拟，研究其应用于临近空间大气温压廓线探测的可行性，并根据分析结果提出应用于载荷设计的主要技术指标。这种方法的数据反演算法不依赖于静力学平衡假设，系统工作于掺饵光纤放大器的倍频区，有利于采用光纤方案实现高功率激光输出。本项目还将对一种实现等频率间隔脉冲输出的激光器方案进行验证，并开展桌面温度压强探测的演示实验。.本项目的实施，将为临近空间气象保障提供新的星载载荷思路，所采用的探测方法还有望应用于其它大气气体浓度廓线的激光掩星探测。

临近空间定义为距地面20-100km大气区域，是低层大气气象活跃区向太空的过度地带，利用卫星载荷探测该区域大气温度、压强廓线，对气象气候研究与应用、高空飞行器和航天活动保障都有着重要意义。利用等频率间隔脉冲激光串对展宽的氧气吸收谱线进行扫描，可拟合大气温度与压强。基于此原理，本项目提出了一种基于近红外氧气吸收光谱特征的低轨星间激光掩星探测方法，通过理论分析、数值仿真与实验验证对该方法的可行性进行研究。.本项目主要研究内容包括：（1）基于申请书提出的方案，建立掩星探测模型，可以根据大气垂直结构参数、两颗卫星的位置，计算非均匀大气条件下的星间激光传输路径，并根据激光能量和接收口径等参数计算掩星探测的信号；（2）根据申请书提出的一种数据反演方法，利用仿真得到的掩星信号对反演方法进行验证；（3）对一种基于环形光纤结构嵌套声光调制器的等频率间隔激光产生方案进行实验验证，并基于此开展实验室桌面大气吸收光谱探测实验。.基于本项目所开展的理论分析与数值模拟研究工作，给出了能实现5-90km范围内0.1km垂直分辨率温度、压强廓线探测的载荷技术指标，理论结果表明，在100W峰值功率、0.3m接收孔径、0.5mrad激光发散角下，两颗低轨卫星之间构建的6000km激光掩星探测链路，可以实现优于1K温度测量精度、1%压强测量精度的大气廓线探测，理论分析与数值仿真结果还验证了本项目所提出的一种不依赖于静力学平衡假设的数据反演方法的可行性。此方案的激光器工作于掺饵光纤放大器的倍频区，可采用在通信波段非常成熟的光纤放大器方案实现高功率激光输出，降低载荷研制难度。.本文所提出的激光掩星探测方法，为临近空间气象保障提供新的星载载荷思路，这种方法还有望应用于其它大气气体浓度廓线的激光掩星探测。