CN106053303A - 激光前向散射云滴谱探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光前向散射云滴谱探测系统，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。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。
Description
技术领域
本发明属于激光探测技术领域，涉及一种激光前向散射云滴谱探测系统，用于测量大气中水汽滴谱分布和水汽含量。
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
(一)发明目的
本发明的目的是：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。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光前向散射云滴谱探测系统，其包括：
探头，包括探头基体和探头支架，探头基体包括箱体1，箱体1包括平行设置且各自独立密封的探头第一臂22和探头第二臂23，探头第一臂22内设置激光发射系统、聚焦光学系统，探头第二臂23内设置散射光收集系统、信号探测系统；探头第一臂22和探头第二臂23上设置有位置相对的第一窗口镜10和第二窗口镜10’；激光发射系统发出光束，光束经聚焦光学系统聚焦，经由第一窗口镜10射向第二窗口镜10’，光束在第一窗口镜10和第二窗口镜10’之间形成空间采样区11，进入探头第二臂23的光束经散射光收集系统遮挡直射光、收集云粒子前向散射光、控制景深，进一步传输至信号探测系统，用于实现散射脉冲信号的光电转换，输出电信号；
信号探测电路系统，设置在探头第一臂22和探头第二臂23之间的连接箱体中，信号探测电路系统包括信号放大电路16，与信号探测系统通过传输电缆17连接，实现电信号的放大输出；
信号处理和控制电路系统，设置在箱体1外部的电子箱机箱20中，其包括信号处理和控制电路21，通过传输电缆17连接信号放大电路16和外部计算机系统18，经信号放大电路16放大后的信号送到信号处理和控制电路21，信号处理和控制电路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，输出值经传输电缆17送入计算机系统18，对数据作进一步处理，计算得出大气中的云滴谱数据，并由计算机系统18显示输出。
其中，所述激光发射系统包括激光器2、光纤3、光纤连接器4和准直器5，激光器2为光束均匀的高阶模红光半导体激光器，激光器2通过光纤3和光纤连接器4连接准直器5。
其中，所述激光器2还与信号处理和控制电路21连接，通过信号处理和控制电路21进行输出功率监测，控制激光器2的输出功率及温度。
其中，所述聚焦光学系统包括光阑6、第一聚焦透镜7、第一转折镜8，光纤3发出的红光经准直器5准直为平行光束，平行光束被光阑6切割，然后第一聚焦透镜7将平行光束聚焦，第一转折镜8将聚焦光束定位在第一窗口镜10外部的空间中，形成一段光强均匀的空间采样区11。
其中，所述散射光收集系统包括红玻璃掩膜12、第二转折镜8，、第二聚焦透镜13和分束棱镜14，红玻璃掩膜12贴于第二窗口镜10，上，用于遮挡直射的光束，红玻璃掩膜12与第二转折镜8，的间距尺寸以能够使与入射方向夹角为4～12°的散射光达到第二聚焦透镜13为准，第二聚焦透镜13将散射光汇聚，汇聚光经分束棱镜14后，分为透射和反射两束光。
其中，所述信号探测系统包括两个相互垂直放置的光电探测器，一个作为信号探测器，另一个作为参考探测器，经分束棱镜后，有33％光到达信号探测器，66％光到达参考探测器，参考探测器前设置有狭缝状光阑，作为粒子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参考探测器，而信号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。
其中，所述探头基体还连接有探头支架，探头支架设置在连接箱体处。
其中，所述信号处理和控制电路21通过分布于两个窗口镜和激光器2周围的温度传感器19对系统温度进行控制，并通过对激光器电压的监测对激光器功率实现控制。
其中，紧贴所述激光器2安装温度传感器19和加热器9，温度传感器19输出的数据送到信号处理及系统控制电路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，信号处理和控制电路21启动加热器9对激光器2进行加热；窗口镜附近安装温度传感器19和加热器9，当箱体外部温度低于设定阈值时，加热器9启动，对窗口镜进行加热，以防止窗口镜上有水滴凝结或结冰。
其中，所述信号放大电路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。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的激光前向散射云滴谱探测系统，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近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，另一个探测器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，影响测量准确性以及功能单一的问题。
附图说明
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是本发明激光前向散射云滴谱探测系统的采样区内粒子对激光的前向散射原理图。
图1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-第一聚焦透镜，8-第一转折镜，8’-第二转折镜，9-加热器，10-第一窗口镜，10’-第二窗口镜，11-空间采样区，12-红玻璃掩膜，13-第二聚焦透镜，14-分束棱镜，15-光电探测器，16-信号放大电路，17-传输电缆，18-计算机系统，19-温度传感器，20-电子箱机箱，21-信号处理和控制电路，22-探头第一臂；23-探头第二臂；
图2中：25-云粒子。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明利用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的探测可以确定粒子的参数，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。
本发明的实现方案为：激光前向散射云滴谱探测系统包括置于激光前向散射云滴谱探头内的半导体激光器，通过光纤输出激光。激光器通过信号处理和控制电路系统进行输出功率监测、控制激光器的输出功率及温度；聚焦光学系统定义了一个很小的空间采样区(激光束的宽度约为0.2mm，景深约为2mm)，云滴粒子在该空间内引起激光束散射。窗口镜中心有一红玻璃掩膜，能够将直射的光束挡住，使散射方向为4～12°的散射光达成像透镜并保证约2.5mm的景深，即散射区长度。成像透镜将散射光汇聚，汇聚光经分束棱镜后，被引导到两个相互垂直放置的光电探测器中进行对比探测。光信号脉冲经光电探测器、信号放大电路后耦合到信号处理及控制电路系统中。信号处理及控制电路系统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，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、显示及储存等操作，计算得出的大气中的云滴谱及云滴数浓度和含水量等数据。
具体地，结合图示，对本发明实施例做进一步如下描述。
参阅图1所示，本实施例激光前向散射云滴谱探测系统包括：
探头，包括探头基体和探头支架，探头基体包括箱体1，箱体1包括平行设置且各自独立密封的探头第一臂22和探头第二臂23，探头第一臂22内设置激光发射系统、聚焦光学系统，探头第二臂23内设置散射光收集系统、信号探测系统；探头第一臂22和探头第二臂23上设置有位置相对的第一窗口镜10和第二窗口镜10’；激光发射系统发出光束，光束经聚焦光学系统聚焦，经由第一窗口镜10射向第二窗口镜10’，光束在第一窗口镜10和第二窗口镜10’之间形成空间采样区11，进入探头第二臂23的光束经散射光收集系统遮挡直射光、收集云粒子前向散射光、控制景深，进一步传输至信号探测系统，用于实现散射脉冲信号的光电转换，输出电信号；
信号探测电路系统，设置在探头第一臂22和探头第二臂23之间的连接箱体中，信号探测电路系统包括信号放大电路16，与信号探测系统通过传输电缆17连接，实现电信号的放大输出；
信号处理和控制电路系统，设置在箱体1外部的电子箱机箱20中，其包括信号处理和控制电路21，通过传输电缆17连接信号放大电路16和外部计算机系统18，经信号放大电路16放大后的信号送到信号处理和控制电路21，信号处理和控制电路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，输出值经传输电缆17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、显示及储存等操作，计算得出的相关数据由计算机系统18显示输出。
其中，激光发射系统包括激光器2、光纤3、光纤连接器4和准直器5，激光器2为光束均匀的高阶模红光半导体激光器，激光器2通过光纤3和光纤连接器4连接准直器5。激光器2还与信号处理和控制电路21连接，通过信号处理和控制电路21进行输出功率监测，控制激光器2的输出功率及温度。
聚焦光学系统包括光阑6、第一聚焦透镜7、第一转折镜8，光纤3发出的红光经准直器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，然后第一聚焦透镜7将平行光束聚焦，第一转折镜8将聚焦光束定位在第一窗口镜10外部的空间中形成一段光强均匀的空间采样区11。
散射光收集系统包括红玻璃掩膜12、第二转折镜8’、第二聚焦透镜13和分束棱镜14，红玻璃掩膜12贴于第二窗口镜10’上，用于遮挡直射的光束，红玻璃掩膜12与第二转折镜8’的间距尺寸以能够使与入射方向夹角为4～12°的散射光达到第二聚焦透镜13为准，第二聚焦透镜13将散射光汇聚，同时保证约2.5mm的景深，即散射区长度。汇聚光经分束棱镜14后，经分束棱镜分为透射和反射两束光。
信号探测系统包括两个相互垂直放置光电探测器，一个作为信号探测器，另一个作为参考探测器，经分束棱镜后，有33％光到达信号探测器，66％光到达参考探测器，参考探测器前设置有狭缝状光阑，作为粒子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参考探测器，而信号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。
本实施例中，探头基体还连接有探头支架，探头采用气密性结构，在各元器件安装调试完成后将探头抽真空，然后注入干燥氮气，可防止探头在低温条件下内部结露，以保证系统相关元器件的正常工作。
信号处理和控制电路21通过分布于两个窗口镜和激光器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系统控制电路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，信号处理和控制电路21启动加热器9对激光器2进行加热。窗口镜附近安装温度传感器19和加热器9，当箱体外部温度低于设定阈值时，加热器9启动，对窗口镜进行加热，以防止窗口镜上有水滴凝结或结冰。
参阅图2所示，激光射向外部空间，形成空间采样区11。空间采样区11内有大气中存在的云粒子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。
光电探测器15接收的为弱脉冲信号，故信号放大电路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。第二、三级放大均处于信号放大电路16上，放大后的信号送到信号处理和控制电路21，实现信号采集与处理。根据云粒子25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。
由上述技术方案可以看出，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以及功能单一的问题。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，包括：
探头，包括探头基体和探头支架，探头基体包括箱体(1)，箱体(1)包括平行设置且各自独立密封的探头第一臂(22)和探头第二臂(23)，探头第一臂(22)内设置激光发射系统、聚焦光学系统，探头第二臂(23)内设置散射光收集系统、信号探测系统；探头第一臂(22)和探头第二臂(23)上设置有位置相对的第一窗口镜(10)和第二窗口镜(10’)；激光发射系统发出光束，光束经聚焦光学系统聚焦，经由第一窗口镜(10)射向第二窗口镜(10’)，光束在第一窗口镜(10)和第二窗口镜(10’)之间形成空间采样区(11)，进入探头第二臂(23)的光束经散射光收集系统遮挡直射光、收集云粒子前向散射光、控制景深，进一步传输至信号探测系统，用于实现散射脉冲信号的光电转换，输出电信号；
信号探测电路系统，设置在探头第一臂(22)和探头第二臂(23)之间的连接箱体中，信号探测电路系统包括信号放大电路(16)，与信号探测系统通过传输电缆(17)连接，实现电信号的放大输出；
信号处理和控制电路系统，设置在箱体(1)外部的电子箱机箱(20)中，其包括信号处理和控制电路(21)，通过传输电缆(17)连接信号放大电路(16)和外部计算机系统(18)，经信号放大电路(16)放大后的信号送到信号处理和控制电路(21)，信号处理和控制电路(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，输出值经传输电缆(17)送入计算机系统(18)，对数据作进一步处理，计算得出大气中的云滴谱数据，并由计算机系统(18)显示输出。
2.如权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，所述激光发射系统包括激光器(2)、光纤(3)、光纤连接器(4)和准直器(5)，激光器(2)为光束均匀的高阶模红光半导体激光器，激光器(2)通过光纤(3)和光纤连接器(4)连接准直器(5)。
3.如权利要求2所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，所述激光器(2)还与信号处理和控制电路(21)连接，通过信号处理和控制电路(21)进行输出功率监测，控制激光器(2)的输出功率及温度。
4.如权利要求2所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，所述聚焦光学系统包括光阑(6)、第一聚焦透镜(7)、第一转折镜(8)，光纤(3)发出的红光经准直器(5)准直为平行光束，平行光束被光阑(6)切割，然后第一聚焦透镜(7)将平行光束聚焦，第一转折镜(8)将聚焦光束定位在第一窗口镜(10)外部的空间中，形成一段光强均匀的空间采样区(11)。
5.如权利要求4所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，所述散射光收集系统包括红玻璃掩膜(12)、第二转折镜(8’)、第二聚焦透镜(13)和分束棱镜(14)，红玻璃掩膜(12)贴于第二窗口镜(10’)上，用于遮挡直射的光束，红玻璃掩膜(12)与第二转折镜(8’)的间距尺寸以能够使与入射方向夹角为4～12°的散射光达到第二聚焦透镜(13)为准，第二聚焦透镜(13)将散射光汇聚，汇聚光经分束棱镜(14)后，分为透射和反射两束光。
6.如权利要求5所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，所述信号探测系统包括两个相互垂直放置的光电探测器，一个作为信号探测器，另一个作为参考探测器，经分束棱镜后，有33％光到达信号探测器，66％光到达参考探测器，参考探测器前设置有狭缝状光阑，作为粒子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参考探测器，而信号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。
7.如权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，所述探头基体还连接有探头支架，探头支架设置在连接箱体处。
8.如权利要求1所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，所述信号处理和控制电路(21)通过分布于两个窗口镜和激光器(2)周围的温度传感器(19)对系统温度进行控制，并通过对激光器电压的监测对激光器功率实现控制。
9.如权利要求8所述的激光前向散射云滴谱探测系统，其特征在于，紧贴所述激光器(2)安装温度传感器(19)和加热器(9)，温度传感器(19)输出的数据送到信号处理及系统控制电路(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，信号处理和控制电路(21)启动加热器(9)对激光器(2)进行加热；窗口镜附近安装温度传感器(19)和加热器(9)，当箱体外部温度低于设定阈值时，加热器(9)启动，对窗口镜进行加热，以防止窗口镜上有水滴凝结或结冰。
10.如权利要求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。
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