CN103344614B - 一种高精度大气透过率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度大气透过率测量装置及测量方法，主要包括：激光器、光纤切换开光单元、光纤、光纤衰减器、光纤准直器、脉冲发生器、探测器单元、锁定放大器、信号处理单元系统。其特征在于：基于光纤的高速光开关调制、相敏检测系统，通过光纤完成各光学功能模块的高效率耦合，实现光源光强的实时监测、测量光路和参考光路的单探测器通道检测，消除了光源强度变化带来的影响，消除了双通道上不同探测器、放大电路的不一致性带来的测量误差，极大的提高了系统测量精度；整个系统主要采用光纤连接结构，安装调试简易，避免了复杂的光路调试，增加了系统的稳定性和抗干扰能力，提高了装置的适用性；并采用基于相关原理的相敏检测技术提取微弱光信号，提高了信噪比，实现了长距离基线上的大气透过率精确测量。

Description

一种高精度大气透过率测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种高精度水平大气透过率测量装置和方法，属于光辐射能量在大气中传播时透过率测量装置。

背景技术

大气透过率是反映大气光学特征的一个重要参数，大气分子的吸收、散射，以及云、雾、雨、雪、灰霾等微粒的散射造成了光传播的能量衰减。大气透过率在气象、军事、大气环境监测等领域中都具有重要的参考价值，对激光大气工程（如通信、制导、测距、雷达和高功率传输等）和部分光学工程（如能见度测量、成像、遥感等）具有重要的意义。通过对大气透过率高精度的测量，能为多种光学工程系统的论证、研制、试验、仿真提供服务。

在大气透过率测量方法上，国内的多家科研院所都做了大量的研究工作，包括通过激光雷达后相散射测量大气透过率、直接测量光衰减得到大气透过率等。目前在直接测量光衰减得到大气透过率的装置中：多采用机械式斩光器调制光源，存在频率调制低、稳定性差，难以得到在弱信号检测中所需的稳定、高频率的调制信号的问题，影响了测量精度；同时，为了监测光源强度变化，多数采用双探测器测量通道，相应的配套光路调试很复杂，由于双探测器测量通道的不一致性，也给测量带来很大的误差。

发明内容

本发明的解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高精度大气透过率测量装置及测量方法，实现了长距离基线上的大气透过率精确测量，有效地提高了大气透过率测量系统的精确性，为大气透过率、消光系数等参数的精确测量提供了技术保障，且结构简单、调试方便、稳定性高。

本发明的技术解决方案：一种高精度大气透过率测量测量，包括发射端：激光器、激光器尾纤、第一光纤切换开关单元、第一光纤、光纤衰减器、第二光纤、光纤准直器、第三光纤，发射端控制信号线；接收端：光纤接收准直器，脉冲发生器、第四光纤、第二光纤切换开光单元、探测器光纤、探测器单元、锁定放大器、接收端控制信号线、信号处理单元。所述激光器通过激光器尾纤连接至第一光纤切换开关单元的输入端。第一光纤切换开关单元的输出端分别通过第一光纤输入至光纤衰减器、第二光纤进入光纤准直器。光纤接收准直器在光纤准直器的对面，接收通过光纤准直器发出的激光，光纤准直器和光纤接收准直器之间作为被测的大气空间。光纤接收准直器通过第四光纤连接到第二光纤切换开关单元输入端。光纤衰减器通过第三光纤也连接到第二光纤切换开关单元输入端。第二光纤切换开关单元输出端通过探测器光纤连接到探测器单元，探测器转换后的电信号传输至锁定放大器单元上进行解调，解调后的信号传输至信号处理单元进行信号处理。脉冲发生器通过发射端控制线、接收端控制线连接至第一光纤切换开关单元、第二光纤切换开关单元、锁定放大器单元，发送脉冲控制信号控制光纤切换开光单元和用于锁定放大器的参考信号。

本发明的测量方法：激光器发出的激光经过激光器尾纤后进入第一光纤切换开关单元，在脉冲发生器的脉冲控制下，第一光纤切换开关单元把输入激光轮流切换输出：通过第一光纤输入至光纤衰减器并经过光纤衰减器衰减后通过第三光纤进入第二光纤切换开关单元，在脉冲发生器的脉冲控制下通过第二光纤切换开关单元把光导入探测器光纤，作为监视光源强度的参考光；通过第二光纤进入光纤准直器，经过光纤准直器准直后进入开放空间作为测量光，测量光通过大气衰减的后进入光纤接收准直器，并通过第四光纤导入至第二光纤切换开关单元，在脉冲发生器的脉冲控制下通过第二光纤切换开关单元把光导入探测器光纤，作为探测大气透过率的测量光。参考光、测量光通过探测器光纤导入到探测器中，经过光电转化和前置放大后进入锁定放大器。所述信号发生器输入锁定放大器脉冲控制信号，对输入的参考光、测量光分别进行相敏检波，并由信号处理单元对检波后的信号进行模数转化，通过相应的算法处理，得到大气透过率、消光系数。

所述激光器采用带单模尾纤输出的半导体激光器，可以较容易地实现高耦合效率的激光输出。

所述脉冲发生器控制信号的频率为2.3Khz,即周期T为4.348×10^-4S，在每个周期内完成对测量、参考的一次的采样，每个周期T中包括两个子方波脉冲f₁、f₂，每个方波脉冲的占空比为之间间隔的时间，具体工作时序方式如下：

在周期的第一个方波脉冲f₁期间：

（1）在发射端控制第一光纤切换开关单元，控制连通激光器尾纤和第二光纤，使激光从光纤准直器输出，形成测量光并经过开放空间，被大气衰减后照射到光纤准直接收器；

（2）在接收端控制第二光纤切换开关单元，控制连通第四光纤和探测器光纤，将光纤准直接收器接收到的光传导到探测器上进行光电转化；

（3）子方波脉冲f₁经过时序控制模块处理后，产生同频同相的信号r(t)₁，作为锁相放大器中PSD₁相敏检波模块的参考信号，对探测器端转化的测量光电信号进行相敏检波，得到测量光信号强度值V_C；

在周期的第二个方波脉冲f₂期间：

（1）在发射端控制第一光纤切换开关，控制连通激光器尾纤和第一光纤，使激光通过光纤衰减器衰减，导入第三光纤，形成参考光,用于监视激光光源变化；

（2）在接收端控制第二光纤切换开关，同时控制连通第三光纤和探测器光纤，将通过经过光纤衰减器上衰减的光信号传导到探测器单元上进行光电转换处理；

（3）子方波脉冲f₂经过时序控制模块处理后，产生同频同相的信号r(t)₂，作为锁定放大器中PSD₂相敏检波模块的参考信号，对探测器端转化的参考光电信号进行相敏检波，得到参考光信号强度值V_R。

所述锁定放大器单元利用相关检测技术实现微弱信号的精确放大，它包括时序控制模块和两个相敏检测单元PSD₁、PSD₂；在本发明的锁定放大器中，自于脉冲发生器（1）的脉冲控制信号的方波脉冲f₁、f₂经过时序控制模块处理后，产生两路脉冲信号r(t)₁、r(t)₂：r(t)₁与f₁同频同相，r(t)₁作为PSD₁检测单元的参考输入，检波得到测量光信号强度值V_C；r(t)₂与f₂同频同相，r(t)₂作为PSD₂检测单元的参考输入，检波得到参考光信号强度值V_R。

所述的相应算法为：光纤衰减器的衰减系数a是已知的，通过测量的V_C、V_R，可以得到大气透过率τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{a\·V_C}{V_R}---\left(1\right)$

从该式可以看出，当光源强度发生了变化，参考光也是按比例发生变化，这样可以消除了光源强度变化的测量误差的影响。

已知发射端和接收端之间的距离L，就可以得到该段距离上的大气消光系数σ：

$\mathrm{\σ}=-\frac{1}{L}\ln \left(\frac{a\·V_C}{V_R}\right)---\left(2\right)$

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）采用光纤式探测结构，可以适合外场和强电磁干扰等恶劣环境，安装简易，减少了现有技术中多光路调试的复杂性；

（2）通过长距离光纤传导参考光实现了光源强度的实时监测，实现测量光、参考光的单通道分时检测系统，消除了光源不稳定给测量带来的误差影响，同时也消除了双探测通道中不同探测器、放大电路的不一致性带来的测量误差，提高了系统测量精度；

（3）采用了基于光纤式高速光开关的调制、检波测量体系，取代传统测量方法中的机械式斩光器，提高了调制频率和稳定性，并通过相关信号检测技术，提高了系统的信噪比；

（4）激光和信号传输均采用单模光纤，在信号传输过程中避免了外界对光信号的干扰，减少了电磁干扰，实现长距离基线的大气透过率高精度测量。

附图说明

图1为本发明中光纤式激光液体浊度测量装置结构示意图；

图2本发明中测量控制脉冲信号的时序图；

图3本发明中锁定放大器工作原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明测量装置包括：激光器1、激光器尾纤2、第一光纤切换开光单元3、第一光纤4、发射端控制信号线5、光纤衰减器6、第二光纤7、光纤准直器8、第三光纤9、测量光路10、光纤接收准直器11、脉冲发生器12、第四光纤13、第二光纤切换开光单元14、接收端控制信号线15、探测器光纤16、探测器单元17、锁定放大器单元18、信号处理单元19。所述激光器1发出的激光经过激光器尾纤2后进入第一光纤切换开关单元3，在脉冲发生器12的脉冲控制下，第一光纤切换开关单元3把输入的激光轮流切换输出：通过第一光纤4输入至光纤衰减器6并经过其衰减后通过第三光纤9进入第二光纤切换开关单元14，并导入至探测器光纤16，作为监视光源强度的参考光；通过第二光纤7进入光纤准直器8，经过光纤准直器8准直后进入开放空间作为测量光，测量光经过大气衰减的后进入光纤接收准直器11，并通过第四光纤13导入至第二光纤切换开关单元14。第二光纤切换开关单元14在脉冲发生器12的脉冲控制下，把参考光、测量光轮流通过探测器光纤16导入到探测器单元17中，进过光电转化和前置放大后进入锁定放大器18，并通过脉冲发生器12的脉冲作为检波的参考信号，对输入的参考光、测量光进行相敏检波，得到测量光信号和参考光信号，并由信号处理单元19进行相应的算法处理，计算大气透过率和消光系数。

具体测量步骤如下：

1．激光器1输出激光经激光器尾纤2导入到第一光纤切换开光单元3；

2．脉冲发生器12发出控制信号，进行测量光、参考光的测量。控制信号如图2所示：其频率为2.3Khz,即采样周期T为4.348×10^-4S，在每个采样周期T包括两个子方波脉冲f₁、f₂，每个方波脉冲的占空比为之间间隔的时间，具体工作时序方式如下：

a、第一个方波脉冲f₁期间，控制第一光纤切换开关单元3，控制连通激光器尾纤2和第二光纤7，使激光从光纤准直器8输出，形成测量光，测量光经过开放空间，被大气衰减后照射到光纤准直接收器11，在接收端控制第二光纤切换开关单元14，控制连通第四光纤13和探测器光纤16，将光纤准直接收器11接收到的光传导到探测器单元17上进行光电装换，如图3所示，子方波脉冲f₁经过时序控制模块处理后，产生同频同相的信号r(t)₁，作为锁相放大器中PSD₁相敏检波模块的参考信号，对探测器端转化的测量光电信号进行相敏检波，得到测量光信号强度值V_C；

b、第二个方波脉冲f₂期间：第一光纤切换开关单元3，控制连通激光器尾纤2和第一光纤4，使激光通过光纤衰减器6衰减，导入第三光纤9，形成参考光，用于监视光源强度；在接收端控制第二光纤切换开关14，同时控制连通第三光纤9和探测器光纤16，将参考光传导到探测器上进行光电装换；如图3所示，经过时序控制模块处理后，子方波脉冲f₂经过时序控制模块处理后，产生同频同相的信号r(t)₂，作为锁定放大器中PSD₂相敏检波模块的参考信号，对探测器端转化的参考光电信号进行相敏检波，得到参考光信号强度值V_R。

3．在信号处理单元19，对测量光信号强度值V_C、参考光信号强度值V_R进行模数转化，经过滑动平均后，通过公式1、2计算出透过率和消光系数。

总之，本发明实现了高精度的大气透过率测量，发明了基于光纤的高速光开关调制、相敏检测系统，通过光纤完成各光学功能模块的高效率耦合，并实现光源光强的实时监测、测量光路和参考光路的单探测器通道检测系统，消除了光源强度变化带来的影响，消除了双通道上不同探测器、前置放大电路的不一致带来的测量误差，极大的提高了系统的测量精度。整个系统主要采用光纤连接结构，安装调试简易，避免了复杂的光路调试，增加了系统的稳定性，提高了设备的适用性，并且采用基于相关原理的相敏检测技术，提高了信噪比，实现了长距离基线上的大气透过率精确测量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高精度大气透过率测量装置，其特征在于包括：激光器(1)、激光器尾纤(2)、第一光纤切换开关单元(3)、第一光纤(4)、发射端控制信号线(5)、光纤衰减器(6)、第二光纤(7)、光纤准直器(8)、第三光纤(9)、光纤接收准直器(11)、脉冲发生器(12)、第四光纤(13)、第二光纤切换开关单元(14)、接收端控制信号线(15)、探测器光纤(16)、探测器单元(17)、锁定放大器单元(18)、信号处理单元(19)；所述的激光器(1)通过激光器尾纤(2)连接至第一光纤切换开关单元(3)的输入端；所述的第一光纤切换开关单元(3)的输出端分别通过第一光纤(4)连接至光纤衰减器(6)、第二光纤(7)连接光纤准直器(8)；所述的光纤接收准直器(11)在光纤准直器(8)的对面，接收通过光纤准直器(8)发出的激光，之间作为被测的大气空间；所述的光纤接收准直器(11)通过第四光纤(13)连接到第二光纤切换开关单元(14)输入端；所述的光纤衰减器(6)通过第三光纤(9)也连接到第二光纤切换开关单元(14)输入端；所述的第二光纤切换开关单元(14)输出端通过探测器光纤(16)连接到探测器单元(17)，探测器转换后的电信号传输至锁定放大器单元(18)上进行解调，解调后的信号传输至信号处理单元(19)通过相应的算法处理，计算大气透过率和消光系数；所述的脉冲发生器(12)一端通过发射端控制信号线(5)连接至第一光纤切换开关单元(3)，脉冲发生器(12)的另一端通过接收端控制信号线(15)分别连接至第二光纤切换开关单元(14)、锁定放大器单元(18)，发送脉冲控制信号控制光纤切换开光单元和提供锁定放大器的参考信号。

2.根据权利要求1所述的高精度大气透过率测量装置，其特征于：所述激光器(1)采用带单模尾纤输出的半导体激光器，能够容易地实现高耦合效率的激光输出。

3.一种高精度大气透过率测量方法，其特征在于：实现步骤为：采用权利要求1所述的测量装置，激光器(1)发出的激光经过激光器尾纤(2)后进入第一光纤切换开关单元(3)，在脉冲发生器(12)的脉冲控制下，第一光纤切换开关单元(3)把输入的激光轮流切换输出：激光通过第一光纤(4)输入至光纤衰减器(6)并经过其衰减后通过第三光纤(9)进入第二光纤切换开关单元(14)，并被导入至探测器光纤(16)，作为监视光源强度的参考光；激光通过第二光纤(7)进入光纤准直器(8)，经过光纤准直器(8)准直后进入开放空间作为测量光，测量光经过大气衰减后进入光纤接收准直器(11)，并通过第四光纤(13)导入至第二光纤切换开关单元(14)；第二光纤切换开关单元(14)在脉冲发生器(12)的脉冲控制下，把参考光、测量光轮流通过探测器光纤(16)导入到探测器单元(17)中，经过光电转化和前置放大后进入锁定放大器(18)，将脉冲发生器(12)的脉冲作为检波的参考信号，对输入的参考光信号、测量光信号进行相敏检波，得到测量光信号强度值V_C和参考光信号强度值V_R，并由信号处理单元(19)进行相应的算法处理，计算大气透过率和消光系数；所述的相应算法处理为：光纤衰减器的衰减系数a是已知的，通过测量光信号强度值V_C、参考光信号强度值V_R，得到大气透过率τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{a\·V_C}{V_R}$

发射端和接收端之间的距离为L，可以得到该段距离上的大气消光系数σ：

$\mathrm{\σ}=-\frac{1}{L}\ln \left(\frac{a\·V_C}{V_R}\right).$

4.根据权利要求3所述的高精度大气透过率测量方法，其特征在于：所述脉冲发生器(12)的控制信号频率为2.3Khz,即采样周期T为4.348×10^-4S，在每个采样周期T包括两个子方波脉冲f₁、f₂。

5.根据权利要求4所述的高精度大气透过率测量方法，其特征在于：所述锁定放大器单元(18)利用相关检测技术实现微弱信号的精确放大，它包括时序控制模块和两个相敏检测单元PSD₁、PSD₂；来自脉冲发生器(1)的脉冲控制信号的方波脉冲f₁、f₂经过时序控制模块处理后，产生两路脉冲信号r(t)₁、r(t)₂：r(t)₁与f₁同频同相，r(t)₁作为PSD₁检测单元的参考输入，检波得到PSD₁检测单元测量光信号强度值V_C；r(t)₂与f₂同频同相，r(t)₂作为PSD₂检测单元的参考输入，检波得到PSD₂参考光信号测量光信号强度值V_R。

6.根据权利要求3所述的高精度大气透过率测量方法，其特征在于：所述脉冲发生器(12)的脉冲作为光调制控制和相敏检波的参考信号，得到测量光信号强度值和参考光信号强度值的过程为：

a、在周期的第一个方波脉冲f₁期间：在发射端控制第一光纤切换开关单元(3)，控制连通激光器尾纤(2)和第二光纤(7)，使激光从光纤准直器(8)出射，形成测量光并经过开放空间，被大气衰减后照射到光纤准直接收器(11)，在接收端控制第二光纤切换开关单元(14)，控制连通第四光纤(13)和探测器光纤(16)，将光纤准直接收器(11)接收到的光传导到探测器单元(17)上进行光电转化；子方波脉冲f₁经过时序控制模块处理后，产生同频同相的信号r(t)₁，作为锁相放大器(18)中PSD₁相敏检波模块的参考信号，对探测器端转化的测量光电信号进行相敏检波，得到测量光信号强度值V_C；

b、在周期的第二个方波脉冲f₂期间：在发射端控制第一光纤切换开关单元(3)，控制连通激光器尾纤(2)和第一光纤(4)，使激光通过光纤衰减器(6)衰减，导入第三光纤(9)，形成参考光,用于监视激光光源变化，在接收端控制第二光纤切换开关单元(14)，同时控制连通第三光纤(9)和探测器光纤(16)，将通过经过光纤衰减器(6)上衰减的光信号传导到探测器单元(17)上进行光电转换处理；子方波脉冲f₂经过时序控制模块处理后，产生同频同相的信号r(t)₂，作为锁定放大器(18)中PSD₂相敏检波模块的参考信号，对探测器端转化的参考光电信号进行相敏检波，得到参考光信号强度值V_R。