CN104132894A - 一种用于模拟太赫兹大气传播的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于模拟太赫兹大气传播的实验装置，包括全封闭箱体、可控开关反射/透射镜，和设在所述箱体内部的环境模拟系统，其中，所述箱体具有透明可视区域的上盖，底盘大孔内安装平面反射镜，底盘上安装可伸缩的挡板，所述挡板上设有湿度传感器、温度传感器、风速传感器和压强传感器。本实施例的装置通过将太赫兹从原传播路径上通过反射镜引入到密闭实验装置中，模拟环境中各项参数随时间变化，以监测太赫兹所通过路径的实时大气环境参数，因此可以有效实现太赫兹的外场实验模拟。此外，该装置同时具备模拟固定环境条件的能力，实现太赫兹在大气环境中传播时对大气参数变量的控制。

Description

一种用于模拟太赫兹大气传播的实验装置及方法

【技术领域】

本发明涉及研究太赫兹光谱的实验装置，具体涉及一种用于模拟太赫兹大气传播的实验装置，及用于模拟太赫兹大气传播的方法。

【背景技术】

目前，大气环境的模拟装置可以进行温度、湿度、风速、压力、光的模拟，这些装置大多是管道状的或者试验箱式的，它们的模拟效果一般比较稳定，容易控制模拟装置内的各项参数，且技术相对成熟。比如，中国科学院安徽光学精密机械研究所申请的“大气环境模拟装置”发明专利，就是一种可以模拟风速、压力、湿度、温度、湍流、光学吸收以及这些参数随高度的变化的实验装置；北京科技大学申请的“一种基于模块化的多因素大气环境模拟试验装置及方法”发明专利，可以模拟温度、湿度、盐雾、光照、淋雨、污染性气氛等环境因素中的一种或多种耦合环境。

但上述装置一般只能是模拟固定的某一状态，而不能模拟随时间演化的大气环境，尤其是不能在模拟的空间内的测量不同空间位置的各项环境参数；且一般不能模拟夹杂较大颗粒物的沙尘天气。而且，目前的太赫兹装置尚未发现有用于真实大气环境模拟，尤其是外场环境模拟的辅助实验装置；这些装置通常也不能测量太赫兹光路所通过大气环境的各项参数。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种能够模拟随时间演化的大气环境，以研究太赫兹在大气环境中传播的方法，以及实现该方法的实验装置。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于模拟太赫兹大气传播的实验装置，包括全封闭箱体、设在所述箱体外部的用于太赫兹光线从其他系统引出及引回到原系统的可控开关反射/透射镜，和设在所述箱体内部的环境模拟系统，其中，所述全封闭箱体包括全密封外壳、设在所述外壳内的具有大孔的底盘、具有小孔和太赫兹透射镜的箱体壁，和具有透明可视区域的上盖，所述底盘大孔内安装可伸缩的平面反射镜，底盘上安装可伸缩的挡板，所述挡板上设有湿度传感器、温度传感器、风速传感器和压强传感器；

所述环境模拟系统包括：温度控制系统、湿度控制系统、风速控制系统、100微米级颗粒物密度控制系统、太阳光照射模拟系统和总控制系统；

所述太阳光照射模拟系统包括设置在所述外壳内侧用于模拟太阳俯仰角随时间变化的半圆形轨道、设在所述轨道上的连续波段光源、与所述轨道相连接的用于调整轨道正午高度角的步进旋转装置和用于调整所述光源俯仰角的步进传动装置；

所述总控制系统包括分别与所述步进旋转装置、步进传动装置、温度控制系统、湿度控制系统、风速控制系统和100微米级颗粒物密度控制系统相连接的单片机，和与所述单片机连接的计算机。

根据一种优选的实施方式，所述半圆形轨道上设有传送带，在所述传送带上设置底座，在底座上设置连续波段光源，所述传送带与所述步进传动装置相连。

优选地，所述可控开关反射/透射镜由2组可控开关的反射/透射镜组成；所述的反射/透射镜包括镜底座、与之相连的镜支架和镜框，所述镜框包括两个可交替使用的子镜框，其中一个镜框上安装反射镜，另一个镜框保持中空。

更优选地，所述的开关反射/透射镜镜面与太赫兹即将接触反射/透射镜镜面时的光路方向呈45°角。

特别优选地，所述镜支架上设有控制两个子镜框交替使用的装置。

在本发明中，所述温度控制系统包括加热装置、制冷装置、进气孔、气体通道和出气孔，所述加热装置和制冷装置通过控制电路连接到所述单片机上。

在本发明中，所述湿度控制系统进气孔、气体通道、出气孔、加湿装置和干燥装置，所述加湿装置和干燥装置通过控制电路连接到所述单片机上。

在本发明中，所述100微米级颗粒物密度控制系统包括盛沙盒、注沙孔、100微米级颗粒物滤网和风扇，所述风扇通过控制电路连接到所述单片机上。

本发明还提供一种用于模拟太赫兹大气传播的方法，在太赫兹传播路径中通过反射镜将太赫兹进入一密闭实验装置中，所述密闭实验装置具有太赫兹透射镜和用于改变太赫兹传播路径的反射镜；通过改变所述密闭装置中的温度、湿度、风速、100微米级颗粒物密度和太阳光照射条件，模拟太赫兹在大气中的传播情况，然后通过反射镜和投射镜将太赫兹引出所述密闭实验装置。

以下将更详细的描述本发明的技术方案。

本发明的方法是在太赫兹传播路径中通过反射镜将太赫兹进入一密闭实验装置中，所述密闭实验装置具有太赫兹透射镜和用于改变太赫兹传播路径的反射镜；通过改变所述密闭装置中的温度、湿度、风速、100微米级颗粒物密度和太阳光照射条件，模拟太赫兹在大气中的传播情况，然后通过反射镜和投射镜将太赫兹引出所述密闭实验装置。

因此，为了实现上述方法，一种用于模拟太赫兹大气传播的实验装置，包括全封闭箱体、设在所述箱体外部的用于太赫兹光线从其他系统引出及引回到原系统的可控开关反射/透射镜，和设在所述箱体内部的环境模拟系统，其中，所述全封闭箱体包括全密封外壳、设在所述外壳内的具有大孔的底盘、具有小孔和太赫兹透射镜的箱体壁，和具有透明可视区域的上盖，所述底盘大孔内安装可伸缩的平面反射镜，底盘上安装可伸缩的挡板，所述挡板上设有湿度传感器、温度传感器、风速传感器和压强传感器；

所述环境模拟系统包括：温度控制系统、湿度控制系统、风速控制系统、100微米级颗粒物密度控制系统、太阳光照射模拟系统和总控制系统；

所述太阳光照射模拟系统包括设置在所述外壳内侧用于模拟太阳俯仰角随时间变化的半圆形轨道、设在所述轨道上的连续波段光源、与所述轨道相连接的用于调整轨道正午高度角的步进旋转装置和用于调整所述光源俯仰角的步进传动装置；

所述总控制系统包括分别与所述步进旋转装置、步进传动装置、温度控制系统、湿度控制系统、风速控制系统和100微米级颗粒物密度控制系统相连接的单片机，和与所述单片机连接的计算机。

对于太阳光照射模拟系统，所述半圆形轨道上设有传送带，在所述传送带上设置底座，在底座上设置连续波段光源，所述传送带与所述步进传动装置相连。传送带一端固定在一个可旋转带孔轴承上，轴承内孔与步进电机紧密嵌套。

所述的半圆弧轨道在旋转过程中所在的半球面位于所述的全封闭箱体内的上方，该半球面可以覆盖所述的箱体壁和底盖。

所述的用于模拟太阳俯仰角随时间变化的半圆弧轨道的两端有两个圆形孔，其中一个孔固定在所述的步进旋转系统的步进电机轴上，能够受步进电机控制而改变半圆弧轨道所在平面与铅垂面的夹角，另一个孔套在所述的全封闭箱体内的一个突出的轴上；所述的步进电机受所述的单片机控制。

所述的可控开关反射/透射镜由2组可控开关的反射/透射镜组成；所述的反射/透射镜包括镜底座、与之相连的镜支架和镜框，所述镜框包括两个可交替使用的子镜框，其中一个镜框上安装反射镜，另一个镜框保持中空。所述的开关反射/透射镜镜面与太赫兹即将接触反射/透射镜镜面时的光路方向呈45°角，使太赫兹能够沿着与原光路方向呈90度角的方向被引出。

优选地，所述镜支架上设有控制两个子镜框交替使用的装置。

一种可选的实施方式是镜框下部有一个圆孔，两个镜框的圆孔共轴。安装反射镜的镜框能够绕着圆孔所在的轴旋转。所述的镜支架中空部分有一弹簧装置，弹簧的一端与所述的带反射镜的镜框的轴固定，弹簧的另一端固定在镜支架上，使得弹簧能够带动镜框旋转。

镜支架中间有一个圆孔，圆孔中镶嵌与弹簧相连的弹射装置的按钮，按下按钮，带反射镜的镜框与中空的镜框分离，此时原太赫兹光线并不改变传播方向，手动将带反射镜的镜框与中空的镜框重合，按钮弹起，原太赫兹光线的传播方向被反射镜改变。所述的弹射装置配有控制电路；所述的控制电路被机械开关控制。

镜框可以是圆形的。镜支架为中空的圆柱，其底座为带孔圆盘，可以通过螺丝固定在带孔金属板上。

本发明中，温度控制系统包括加热装置、制冷装置、进气孔、气体通道和出气孔，所述加热装置和制冷装置通过控制电路连接到所述单片机上。所述的加热装置由热敏电阻及其控制电路组成；所述的制冷装置由半导体制冷片及其控制电路组成；所述的温度控制子系统均匀地分布在所述的箱体壁内。

湿度控制系统进气孔、气体通道、出气孔、加湿装置和干燥装置，所述加湿装置和干燥装置通过控制电路连接到所述单片机上。；所述的加湿装置包括水槽、进水孔、出水孔、风扇、超声波发生电路、加湿装置控制电路；所述的干燥装置包括出水孔、干燥装置控制电路；所述的湿度控制子系统均匀地分布在所述的箱体壁内。

所述100微米级颗粒物密度控制系统包括盛沙盒、注沙孔、100微米级颗粒物滤网和风扇，所述风扇通过控制电路连接到所述单片机上。所述的控制电路连接到所述的单片机上；所述的盛沙盒镶嵌在所述的箱体壁的外表面上；所述的100微米级颗粒物滤网位于所述的箱体壁的内表面内；所述的100微米级颗粒物密度控制子系统均匀地分布在所述的箱体壁内。

风速控制系统包括若干风速控制子系统，所述的风速控制子系统，包括风扇及其控制电路；所述的控制电路连接到所述的单片机上；所述的风速控制子系统均匀地分布在所述的箱体壁内。

所述的空气100微米级颗粒物密度传感器位于所述的箱体壁的内表面上，其控制电路与所述的单片机相连。

所述的位于箱体壁的太赫兹透射镜，与所述的可控开关反射/透射镜配合，控制太赫兹光进出所述的全封闭箱体。

在本发明中，总控制系统的计算机安装在全封闭箱体外部，与所述的单片机通过串口数据线或无线传输模块进行数据交换；所述的单片机镶嵌在半封闭箱体墙外表面。

利用单片机和上位机对环境湿度、温度、风速、光照等条件进行控制是本领域的现有技术，在此不作赘述。

可选的，通过计算机控制调节全封闭箱体中的环境参数；单片机用于根据与所述的计算机交换的数据，控制所述的全封闭箱体内设备的工作。

可选地，在底盘大孔内安装可伸缩的平面反射镜，包括伸缩装置和平面反射镜；所述的伸缩装置的一端与底盘相连，另一端带有圆柱形长孔，可通过弹簧轴，与所述的平面反射镜相连；所述的平面反射镜可以做水平360度旋转，并配有控制电路控制镜面旋转；所述的控制电路连接到所述的单片机上；所述的湿度传感器、温度传感器、风速传感器和压力传感器的供电线和数据线均安装在所述的伸缩装置内，通过所述的供电线和数据线连接到所述的单片机上；所述的可伸缩的挡板固定在所述的底盘内，并配有控制电路；所述的控制电路连接到所述的单片机上。

本发明通过将太赫兹从原传播路径上通过反射镜引入到密闭实验装置中，实验装置所模拟的环境中的各项参数可以根据物理规律和大气变化，而随时间变化；装置可以监测太赫兹所通过路径的实时大气环境参数(包括温度、湿度、风速、阳光天、阴天、空气颗粒物密度)，使得该装置可以在不破坏原有太赫兹实验装置的前提下，实现太赫兹的外场实验模拟；该装置同时具备模拟固定环境条件的能力，可以通过挡板，限制所模拟的大气环境的参数的范围，也可以通过装置内的可伸缩反射镜，具备控制太赫兹在实验装置中传播路径的能力，实现太赫兹在大气环境中传播时，对大气参数变量的控制；另外，该装置还可以将太赫兹光从原装置中引出和将太赫兹光引回原路径。

因此，本发明的方法和装置可用于模拟太赫兹在不同的大气环境中的传播，以研究大气环境对太赫兹传播的不同影响。

【附图说明】

图1是实施例的实验装置的立体示意图，其中1-中空镜框，2-平面反射镜，3-可控开闭装置，4-镜底座，5-可伸缩反射镜，6-可伸缩挡板，7-太赫兹透射镜，8-箱体壁及其内部装置，9-半弧形轨道，10-步进旋转控制系统，11-电灯，12-箱体上盖；

图1中，1、2、3、4共同组成可控开关反射/透射镜；9、10、11共同组成模拟阳光照射的系统。

图2是图1中6-可伸缩反射镜的放大图，其中21-反射镜面，22-镜面旋转装置和温度传感器、湿度传感器、压强传感器、风速传感器的位置，23-内部包含传感器控制导线的可伸缩镜支架，24-镶嵌在底盘上的镜底座。

图3是图1中7-箱体壁及其内部装置的内部放大图，其中31-沙盒及100微米级颗粒物滤网，32-单片机，33-出水孔，34-气体通道，35-加湿模块或干燥模块，36-进水孔，37-加热或制冷装置，38-空气100微米级颗粒物密度传感器，39-计算机，40-数据线或无线模块，41-风扇；

图3中，32、39、40共同组成单片机/计算机系统；33、34、35、36共同组成湿度控制子系统；34、37共同组成温度控制子系统。

【具体实施方式】

以下实施例用于非限制性的说明本发明的技术方案。

如图1所示的实验装置。由于真实环境中的大气各项参数会随着时间而变化，以至于可以在实验室中模拟时变的大气环境。对太赫兹技术而言，如果太赫兹在真实大气环境中的吸收和衰减规律能够用数学公式表达，如果物质在真实大气环境中被太赫兹探测得到的受大气环境干扰的光谱波形，能够被消除干扰，太赫兹技术在真实大气环境中就很可能被广泛应用，太赫兹技术的优势就很可能在真实大气环境中发挥出来。本装置通过改变模拟太阳光照的俯仰角、正午太阳高度、太阳光照强度，改变模拟的大气温度，改变模拟的大气湿度，改变模拟的大气风速，改变模拟的大气颗粒物密度，实现对复杂大气环境参数的模拟；如果结合计算机的计算结果对大气环境参数进行实时控制，就可以模拟类似外场的时变大气环境，使得太赫兹在辅助装置中进行的实验效果更佳接近于外场实验的真实情况；如果利用反射镜控制太赫兹的传播光路，就可以得到太赫兹在装置中所经过路径的所有环境参数，使得模拟效果更佳具有数据上的说服力。

在图1中，可控开关反射/透射镜高为0.2米，宽0.1米，通过机械按钮，电动控制反射镜与中空境况重合，原装置中发射的太赫兹光线就会被引出，通过实验装置箱体壁上的太赫兹透射镜，进入到实验装置中。太赫兹光在经过实验装置中模拟的大气环境的后，从实验装置上的太赫兹透射镜离开实验装置，通过可控开关反射/透射镜的反射镜面，重新回到原实验装置中；太赫兹光的光谱信息就会被原装置的探测设备所测量得到。

在图1中，当太赫兹光进入实验装置箱体后，太赫兹光的光路将被从底盘上伸出的反射镜所控制。当人为给计算机指令后，指令通过计算机与单片机之间的通信装置被发送到单片机上。单片机再发送指令控制某些位置的可伸缩反射镜竖直向上展开，并将镜面旋转成某一角度，以控制太赫兹光在实验装置中通过的光路。

可伸缩的反射镜的解剖图如图2所示，24底座镶嵌在箱体底盘上。23可伸缩镜支架上可以在用到反射镜时伸展开，不用反射镜时收缩回底盘中。22安装的温度传感器、湿度传感器、风速传感器、压强传感器可以实时监测反射镜下方的环境参数，传感器的信号被单片机处理后，通过单片机与计算机的通信模块，进入到计算机中储存；这些参数可以表述太赫兹传播路径中实时大气环境状况，可以与最终被探测到的太赫兹光谱配合，用于研究太赫兹的大气传播特性。22安装的镜面旋转装置可以控制太赫兹光线被反射镜发射后的方向。21反射镜面可全反射太赫兹光线。

在图1中，9、10、11组成的模拟阳光照射的系统。当步进电机控制半圆形轨道旋转时，由于模拟太阳的电灯始终在半圆形轨道内移动，因此，模拟太阳所通过的轨迹也将随着半圆形轨道的旋转而旋转。由于正午时，太阳将出现在轨道的最高处，此时半弧形轨道所在的平面与水平面之间的夹角可以被认为是太阳的正午高度角。因此，当步进电机带动半弧形轨道旋转时，模拟太阳的正午高度角也将随之改变。而太阳在轨道内位置的变化，就可以看做太阳在某一天中，位置随时间的变化。电灯的照射强度的改变意味着模拟太阳的照射强度的改变，箱体上盖的顶部安装有透光玻璃，可以模拟具有散射效果的蓝天。当电灯的照射强度为零时，装有透光玻璃的箱体上盖可以模拟阴天。

在图1中，6可伸缩挡板可以在需要时伸长到一定高度；横竖的挡板会把装置内空间分割成相对封闭的部分。各部分可以单独模拟温度、湿度、风速、颗粒物密度中的一个变量，实现太赫兹在某一特定环境下传播性质的研究。

在图3中，出水孔33、气体通道34、加湿模块或干燥模块35和进水孔36组成的湿度控制子系统由于均匀分布在箱体壁中，湿度控制系统于是可以均匀且缓慢地改变装置内的湿度。当湿度控制子系统启动时，箱体内气体通过箱体壁的小孔进入气体通道，然后经过加湿模块或干燥模块，输出高湿度或低湿度的气体，再经过气体通道，从箱体壁上的小孔进入箱体内。

在图3中，气体通道4和加热制冷装置7组成的温度控制系统由于其子系统均匀分布在箱体壁上，也可以均匀地控制装置内气体温度。当温度控制子系统启动时，装置内气体通过箱体壁的小孔进入气体通道，再经过制冷或制热装置，输出低温或高温气体，再经过气体通道，从箱体壁上的小孔进入箱体壁内。

在图3中，沙盒31及100微米级颗粒物滤网由于均匀粉笔在箱体壁内，也可以均匀地向装置内气体喷射颗粒物。当100微米级颗粒物滤密度控制子系统启动时，电风扇吹动沙盒中的沙尘漂浮，部分沙尘颗粒可以透过100微米级颗粒物滤网，进入到装置内的模拟大气中。箱体壁上分布的100微米级颗粒物密度传感器可以检测装置内气体的实时颗粒物密度，并将数据通过单片机，返回到计算机中处理。

在图3中，风扇分布在箱体壁内，因此可以均匀地控制箱体壁内的风力和风向。当风扇受控启动时，被风吹动的气体通过箱体壁上的小孔进入到实验装置中，影响装置内大气的风速；风扇吹动的强弱影响风力的强弱，风扇吹动的方向影响风的方向。

当计算机中运行大气环境随时间演化模拟程序后，计算机将一系列指令通过数据传输模块，发送给单片机，由单片机控制相应的系统启动，去调节装置中的温度、湿度、风速、光照、100微米级颗粒物密度等参数。

可以看出，本实施例的装置通过将太赫兹从原传播路径上通过反射镜引入到密闭实验装置中，模拟环境中各项参数随时间变化，以监测太赫兹所通过路径的实时大气环境参数(包括温度、湿度、风速、阳光天、阴天、空气颗粒物密度)，因此可以有效实现太赫兹的外场实验模拟。此外，该装置同时具备模拟固定环境条件的能力，通过挡板、限制所模拟的大气环境的参数的范围，或通过装置内的可伸缩反射镜控制太赫兹在实验装置中传播路径的能力，实现太赫兹在大气环境中传播时对大气参数变量的控制。

Claims (9)

1.一种用于模拟太赫兹大气传播的实验装置，包括全封闭箱体、设在所述箱体外部的用于太赫兹光线从其他系统引出及引回到原系统的可控开关反射/透射镜，和设在所述箱体内部的环境模拟系统，其特征在于所述全封闭箱体包括全密封外壳、设在所述外壳内的具有大孔的底盘、具有小孔和太赫兹透射镜的箱体壁，和具有透明可视区域的上盖，所述底盘大孔内安装可伸缩的平面反射镜，底盘上安装可伸缩的挡板，所述挡板上设有湿度传感器、温度传感器、风速传感器和压强传感器；

所述环境模拟系统包括：温度控制系统、湿度控制系统、风速控制系统、100微米级颗粒物密度控制系统、太阳光照射模拟系统和总控制系统；

所述太阳光照射模拟系统包括设置在所述外壳内侧用于模拟太阳俯仰角随时间变化的半圆形轨道、设在所述轨道上的连续波段光源、与所述轨道相连接的用于调整轨道正午高度角的步进旋转装置和用于调整所述光源俯仰角的步进传动装置；

所述总控制系统包括分别与所述步进旋转装置、步进传动装置、温度控制系统、湿度控制系统、风速控制系统和100微米级颗粒物密度控制系统相连接的单片机，和与所述单片机连接的计算机。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于所述半圆形轨道上设有传送带，在所述传送带上设置底座，在底座上设置连续波段光源，所述传送带与所述步进传动装置相连。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于所述的可控开关反射/透射镜由2组可控开关的反射/透射镜组成；所述的反射/透射镜包括镜底座、与之相连的镜支架和镜框，所述镜框包括两个可交替使用的子镜框，其中一个镜框上安装反射镜，另一个镜框保持中空。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于所述的开关反射/透射镜镜面与太赫兹即将接触反射/透射镜镜面时的光路方向呈45°角。

5.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于所述镜支架上设有控制两个子镜框交替使用的装置。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于所述温度控制系统包括加热装置、制冷装置、进气孔、气体通道和出气孔，所述加热装置和制冷装置通过控制电路连接到所述单片机上。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于所述湿度控制系统进气孔、气体通道、出气孔、加湿装置和干燥装置，所述加湿装置和干燥装置通过控制电路连接到所述单片机上。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于所述100微米级颗粒物密度控制系统包括盛沙盒、注沙孔、100微米级颗粒物滤网和风扇，所述风扇通过控制电路连接到所述单片机上。

9.一种用于模拟太赫兹大气传播的方法，其特征在于在太赫兹传播路径中通过反射镜将太赫兹进入一密闭实验装置中，所述密闭实验装置具有太赫兹透射镜和用于改变太赫兹传播路径的反射镜；通过改变所述密闭装置中的温度、湿度、风速、100微米级颗粒物密度和太阳光照射条件，模拟太赫兹在大气中的传播情况，然后通过反射镜和投射镜将太赫兹引出所述密闭实验装置。