CN102175591A - 激光前向散射云滴谱探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种激光前向散射云滴谱探测系统，将作为发射源的激光器和激光聚焦光学系统安装在探头的同一臂内，光电探测器和散射光收集光学系统安装在探头的另一臂内，信号放大电路安装于两臂探头之间的基体内，聚焦光学系统在焦点附件形成粒子散射区，该散射区位于两臂中心，散射信号经过成像透镜汇聚至分束棱镜，分束棱镜按比例将散射信号引导至两个相互垂直放置的光电探测器中进行对比探测，一个光电探测器的信号强度确定粒子大小，另一个探测器的信号强度确定散射区面积，由此计算得出的大气中的云滴谱及云滴数浓度和含水量数据。本发明利用空气中的微小粒子对激光的米氏散射效应，通过对空间采样区内散射信号进行探测可以确定云滴的参数。

Description

激光前向散射云滴谱探测系统

技术领域

本发明涉及一种应用于测量大气中水汽滴谱分布和水汽含量的激光前向散射云粒子探测系统。

背景技术

现有技术中用于测量大气中气溶胶的激光前向散射探测系统，是利用空气中的微小气溶胶粒子，对激光的米氏前向散射信号和差分吸收原理来测量特定种类的大气气溶胶。

比如美国专利号US 2006/0232776 A1公开的名称为“有害微粒测量的系统和方法”的专利，就是这样的测量装置。它是由多台不同波长激光器作为发射源，其中一束作为参考光，另外几束作为探测光，若探测通道存在特定种类的有害气溶胶，利用有效气溶胶对参考光吸收较弱而对探测光有较强吸收，以及有害气溶胶对几束光均有较强的前向散射效应的原理，采用分光镜将不同波长的散射信号分开，一种波长的散射信号分布一个探测器接受，对探测光和参考光散射信号的强度对比及后续处理，得到被探测气溶胶的成分信息。

该专利采用多台分离的激光器作为发射源，对激光器的波长稳定性和功率稳定性都有较高的要求。其光路中有多片对某一波长激光全反、其它波长激光器全透的光学镜片存在，该光学镜片存在加工困难，制造成本高，费用昂贵的缺陷。另外，它在进行探测时，由于散射信号较弱，各波长激光的散射系数不一致，散射信号的强度对比容易误判，而影响测量准确性和测量精度。而且该专利只能测量气溶胶粒子的种类，不能得到气溶胶粒子的直径大小和分布。

发明内容

本发明是对现有技术的进一步改进和发展，其目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种测量精度高、结构简单、安装调试方便、体积小巧的激光前向散射云滴谱探测系统。

为了达到上述目的，本发明提供的一种激光前向散射云滴谱探测系统，包括，分为两臂的激光前向散射云滴谱探头和置于箱体内的信号处理及控制系统、聚焦光学系统和散射光收集系统，其特征在于，作为发射源的激光器和激光聚焦光学系统安装在同一臂的探头内，光电探测器通过散射光收集光学系统安装在另一臂探头内，信号放大电路安装于两臂探头基体之间，聚焦光学系统在焦点附近形成粒子散射探测区，该散射区位于两臂中心，散射信号经过分束棱镜按比例到达两个光电探测器，一个光电探测器的信号强度确定粒子大小，另一个探测器的信号强度确定散射区面积，成像透镜将散射光汇聚于分束棱镜，被引导到两个相互垂直放置的探测器中进行对比探测，光信号脉冲经信号放大电路后耦合到信号处理及控制系统中进行处理，输出值经传输电缆送入计算机系统，对数据作进一步的数据采集、滤波处理计算、数据综合、反演、显示及储存操作，计算得出的大气中的云滴谱及云滴数浓度和含水量数据。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明只用一只光强度分布均匀激光器作为发射源，利用聚焦光学系统在焦点附件形成粒子散射探测区，即保证了散射区的光均匀性和增加了散射光强度。散射信号经过分束棱镜按比例到达两个探测器，一个探测器的信号强度确定粒子大小，另一个探测仪的信号强度确定散射区面积，系统可以准确测量粒子的大小，统计粒径分布，计算水汽浓度。解决了现有技术系统复杂，制造成本高，容易导致信号误判影响测量准确性云以及功能单一的问题。

本发明利用空气中的微小水汽粒子对激光的米氏前向散射信号来测量水汽的谱分布和大气中的水汽含量。采用均匀强度红光半导体激光器作为照射源，通过激光束准直、聚焦，在空间中划出一定大小的采样区。通过采样区的粒子对激光产生散射信号，经过对前向散射信号的测量、景深内粒子判定，双通道弱信号探测等手段，能够实现对尺度为2-50μm的云粒子分布的测量。该系统可以确的粒子的多个参数如：平均直径、均方根直径、数浓度、总浓度、含水量和采样体积等。

本发明具有体积小，结构紧凑，实时测量，测量精度高的特点，在实时指挥人工增雨作业、确定云粒子分布、云物理学研究等均能得到广泛应用。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图对本发明进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本发明的保护范围。

图1是本发明激光前向散射云滴谱探测系统的构造框图。

图2是图1采样区内粒子对激光的前向散射原理图。

图3是本发明的云粒子谱分布数据。

图4是本发明的粒子数浓度曲线。

图5是本发明给出的云粒子滴谱分布和大气的含水量数据。

图中：1箱体，2激光器，3光纤，4光纤连接器，5准直器，6光阑，7聚焦透镜，8转折镜，9加热器，10窗口镜，11采样区，12红玻璃掩膜，13成像透镜，14分光镜，15光电探测器，16信号放大电路，17金属导线，18计算机系统，19温度传感器，20电子机箱，21信号处理及控制系统，22云滴谱探头，23云滴谱探头，25云粒子。

具体实施方式

图1描述了一种由箱体1、激光器2、光纤3、光纤连接器4、准直器5、光阑6、聚焦透镜7、14、转折镜8、加热器9、窗口镜10、红玻璃掩膜12、分光棱镜14、用于实现散射脉冲信号的光电转换的光电探测器15、信号放大电路16、温度传感器19、信号处理及控制系统21等组成的激光前向散射云滴谱探测系统优选实施例。它包括，分为两臂的激光前向散射云滴谱探头22、23和置于电子机箱20箱体内的信号处理及控制系统21、由光阑6，聚焦透镜7，转折镜8组成的聚焦光学系统和由转折镜8、红玻璃掩膜12、成像透镜13组成的散射光收集系统。激光器2和激光聚焦光学系统安装在同一臂的探头22内，散射光收集光学系统、光电探测器15安装在另一臂探头22内。信号处理及控制系统21通过导线17连接外部计算机系统18，获取外界环境参数，与计算机系统18进行通讯，分别向两臂上的激光前向散射云滴谱探头22、23提供工作状态选择信号及各种控制信号，将测量数据通过通讯口向计算机系统18传输。所述外界环境参数包括，速度、温度、湿度、气压，以及GPS地理位置等信息。

探头支架与探头基体焊接在一起，探头采用气密性结构设计。在激光前向散射云滴谱探头22、23内含有，作为发射光源发射激光的激光器2和通过光纤3及光纤连接器4连接准直器5组成的激光发射系统；位于同一光路上的光阑6聚焦透镜7和转折镜8组成的激光聚焦光学系统；置于激光前向散射云滴谱探头23内的转折镜8、贴于窗口镜10上的红玻璃掩膜12，成像透镜13与分光棱镜14及其光电探测器15组成的信号收集系统。激光发射系统采用光束均匀的高阶模红光半导体激光器2作为发射源。激光器2通过光纤3输出激光，激光通过光纤连接器4进入准直器5准直为发散角2mrad的平行光束，平行光束被光阑6切割为直径5mm，聚焦镜7将平行光束聚焦。激光聚焦光学系统的聚焦光束形成空间采样区11。信号收集系统遮挡直射光、收集云粒子前向散射光和控制景深。信号放大电路16位于激光前向散射云滴谱探头22、23两臂之间的基体内，实现电信号的放大输出。激光聚焦光学系统将聚焦光束定位在空间中形成很小一段光强均匀的空间采样区11(激光束的宽度约为0.2mm，景深约为2mm)，云滴粒子在该采样区11空间内引起激光束散射。在光电探测器15前端有作为粒子是否处于景深判据的狭缝状光阑6。

激光器2通过信号处理及控制系统21输出功率监测、控制激光器1的输出功率及温度。成像透镜13将散射光汇聚，汇聚光经分束棱镜14后，散射信号经过分束棱镜按比例到达两个光电探测器15，一个光电探测器的信号强度确定粒子大小，另一个探测仪的信号强度确定散射区11面积，成像透镜13将散射光汇聚于分束棱镜14，被引导到两个相互垂直放置的探测器15中进行对比探测。经过分光棱镜14分束后的光有33％到达信号探测器，66％到达参考探测器。参考探测器前有狭缝状光阑，作为云粒子25是否处于景深的判据，使得只有探测距离大于聚焦中心1.5mm的粒子的前向散射光能进入该探测器15。而另外一个探测器只探测距离小于聚焦中心1.5mm的粒子的前向散射光。

光信号脉冲经光电探测器15、信号放大电路16后，耦合到信号处理及控制系统中。由于探测器15接收的为弱脉冲信号，因此，信号放大电路采用三级放大结构，第一级使用低噪声放大器，第二级为增益可控放大器，实现四档增益选择，第三级为功率放大器，放大后的信号送到信号处理及控制系统21，信号处理及控制系统21将测量到的最大信号幅度与分离测量的粒子散射参考电压信号进行比较，根据粒子19尺度大小，数据分类为15个通道，在预设的时间段内累计每个通道的粒子数目，然后送入数据处理系统，计算出不同大小的云滴的分布谱，统计得出云滴谱数据。

信号处理及控制系统21通过分布于窗口镜10和激光器2周围的温度传感器19对系统温度进行控制，并通过对激光器2电压的监测实现对激光器功率的稳定控制。紧贴激光器2安装有温度传感器19和加热器9，温度传感器19输出的数据送到信号处理及控制系统21，对温度传感器19的数据进行检测分析，当激光器周围温度低于设定阈值时，信号处理及系统控制电路21启动加热器9对激光器2进行加热。窗口镜10附近安装的温度传感器19和加热器9，当机壳1外部温度低于设定阈值时，加热器9启动，对窗口10进行加热，以防止窗口上有水滴凝结或结冰。

参阅图2。激光器2输出的激光射向外部空间，形成空间采样区11，空间采样区11内有粒子25通过时，对激光产生米氏散射，米氏前向散射光被信号收集系统收集，导引至光电探测器15。

在窗口镜10中心上贴有能够将直射的光束挡住的红色玻璃掩膜12，使散射方向为4～12°的散射光达成像透镜13。掩膜12与转折镜8的入射方向夹角约为4～12°。聚焦透镜13将达到的散射光汇聚，同时保证约2.5mm的景深，即散射区长度。

图3描述了本发明激光前向散射云滴谱探测系统控制与信号探测系统对采集到的数据处理后得到的云粒子谱分布数据。

图4描述了激光前向散射云滴谱探测系统对云粒子测定得到的粒子数浓度曲线。

图5描述了本发明激光前向散射云滴谱探测系统的控制信号、外部参数和采集到的数据经过处理后给出的云粒子滴谱分布和大气的含水量数据和系统参数监控和云滴谱统计结果。

Claims (8)

1.一种激光前向散射云滴谱探测系统，包括，分为两臂的激光前向散射云滴谱探头(22、23)和置于箱体(20)内的信号处理及控制系统(21)、聚焦光学系统和散射光收集系统，其特征在于，作为发射源的激光器(2)和激光聚焦光学系统安装在同一臂的探头(22)内，光电探测器(15)通过散射光收集光学系统安装在另一臂探头(22)内，信号放大电路(16)安装于两臂探头基体之间，聚焦光学系统在焦点附近形成粒子散射探测区(11)，该散射区位于两臂(22)(23)中心，散射信号经过分束棱镜按(14)比例到达两个光电探测器(15)，一个光电探测器的信号强度确定粒子大小，另一个探测器的信号强度确定散射区面积，成像透镜(13)将散射光汇聚于分束棱镜(14)，被引导到两个相互垂直放置的探测器中进行对比探测，光信号脉冲经信号放大电路(16)后耦合到信号处理及控制系统(21)中进行处理，输出值经传输电缆送入计算机系统(18)，对数据作进一步的数据采集、滤波处理计算、数据综合、反演、显示及储存操作，计算得出的大气中的云滴谱及云滴数浓度和含水量数据。

2.根据权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，所述的信号处理及控制系统(21)通过导线(17)连接外部计算机系统(18)，获取外界环境参数，与计算机系统(18)进行通讯，分别向两臂上的激光前向散射云滴谱探头(22、23)提供工作状态选择信号及各种控制信号，将测量数据通过通讯接口向计算机(18)传输。

3.根据权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，在激光前向散射云滴谱探头(22、23)内含有，作为发射光源发射激光的激光器(2)和通过光纤(3)及光纤连接器(4)连接准直器(5)组成的激光发射系统；位于同一光路上的光阑(6)聚焦透镜(7)和转折镜(8)组成的激光聚焦光学系统；置于激光前向散射云滴谱探头(23)内的转折镜(8)、贴于窗口镜(10)上的红玻璃掩膜(12)，成像透镜(13)与分光棱镜(14)组成的信号收集系统。

4.根据权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，成像透镜(13)将散射光汇聚，汇聚光经分束棱镜(14)分束后，被引导到两个相互垂直放置的探测器(15)中进行对比探测。

5.根据权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，激光器(2)输出的激光射向外部空间，形成空间采样区(11)，空间采样区(11)内有粒子(25)通过时，对激光产生米氏散射，米氏前向散射光被信号收集系统收集，导引至光电探测器(15)。

6.根据权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，光电探测器(15)前端，有作为粒子是否处于景深判据的狭缝状光阑(6)。

7.根据权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，紧贴激光器(2)安装有温度传感器(19)和加热器(9)，温度传感器(19)输出的数据送到信号处理及控制系统(21)，对温度传感器(19)的数据进行检测分析，当激光器周围温度低于设定阈值时，信号处理及控制系统(21)启动加热器(9)对激光器(2)进行加热。

8.根据权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，信号放大电路(16)采用三级放大结构，第一级使用低噪声放大器，第二级为增益可控放大器，实现四档增益选择，第三级为功率放大器，放大后的信号送到信号处理及控制系统(21)，实现信号采集与处理。

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