CN106442428A - 基于多次反射的能见度的光纤式测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多次反射的能见度的光纤测量方法，信号发生器调制后的激光经隔离器后在光纤中传输，经光分束器后形成能量相同的两路光，其中一路经赫里奥特池多次反射后重新进入光纤并经光电转换形成电信号一，另一路直接经光电转换形成电信号二，由电信号一与电信号二的比值获得透过率，进而在获取消光系数的基础上形成能见度信息。本发明具有操作方便、检测速度快、易于小型化、检测灵敏度高等特点。

Description

基于多次反射的能见度的光纤式测量方法
技术领域
本发明涉及能见度测量方法领域，具体是一种基于多次反射的能见度的光纤式测量方法。
背景技术
能见度是为了气象目的而定义的通过人工观测者定量估计的量，以这种方式进行的观测在交通、军事、环境和气候变化等众多领域均被广泛采用。
能见度和大气的水平消光系数呈反比关系，消光系数是色温为2700K的白炽灯光源发出的平行光束经过大气中单位距离的路径损失的那部分光通量。目前获取能见度的仪器主要包括两类:(1)测量小空间内空气对光的散射,依据所测量散射角的不同可分为后向散射仪和前向散射仪；(2)测量一段空气柱的消光系数，如透过率激光雷达等。上述测量手段均忽略大气的吸收效应,假定散射光强与消光系数成正比。当待测大气中的黑碳等吸收性成分较多时,所测量结果的误差较大且误差值难以评估。此外，透过率激光雷达需要公里级的测量范围内无遮蔽物且大气条件均匀，其能见度的计算结果和斜率的选取范围有关，存在一定的不确定性。上述测量能见度的测量设备还容易受到环境因素的制约，比如散射仪为了避免太阳光的影响，其接收端要背对太阳安装；而透过率激光雷达则假设水平大气柱所受到的自然照明强度不随距离而改变。
总之，开发新的能见度测量方法和技术,在环境监测和大气遥感领域依然迫切需求，科学、合理地标校和评价能见度观测仪器的精确度也依然需要继续探讨。
发明内容
本发明针对现有常用测量技术的不足，提供了一种基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，以实现与能见度直接相关的大气水平消光系数的直接测量。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，其特征在于：将激光经单模光纤传输至分束器后分成能量相等的两束光，两束光在两根长度相等的单模光纤中分别传输，其中一束光经环形器后穿过光纤准直器进入赫里奥特池，其能量因与池内待测大气相互作用而衰减，赫里奥特池两端的反射镜使得该光束形成多次反射，极大地延长了光束与待测大气的作用距离，多次反射后该光束原路返回，再次穿过准直器沿光纤传输，经环形器后转化为电信号一，另一束光经光纤直接转化为电信号二，根据电信号一和电信号二的比值获得待测地点的消光系数，继而获得能见度。
所述的基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，其特征在于：所述赫里奥特池的反射镜上分别设有气流扩散凸面圆板，所形成的气流对反射镜形成冲刷，在防止池内待测地点的大气样品所含污染物在反射镜面的沉积，保证反射镜稳定的高反射率。
所述的基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，其特征在于：所述赫里奥特池采用双层百叶窗结构封装，在保证隔离外界杂散光的基础上，实现了待测大气在赫里奥特池内的顺畅流动。
所述的基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，其特征在于：消光系数是电信号一和电信号二的比值，该值是散射和吸收综合作用的结果，激光能量值的大小和波动对结果不产生影响，电信号一和电信号二的光电转换均为能量转换，光纤仅作为能量传输介质，具有较强的环境适应性。
本发明的理论依据是：
对于大气水平能见度来说，一般需要满足以下两个条件：(1)大气的消光系数不随距离而改变；(2)大气柱所受到的自然照明强度也不随距离而改变。
大气由大气分子和悬浮在大气中的气溶胶粒子组成。大气对光能量的衰减包括大气气体分子吸收和散射、气溶胶粒子的散射和吸收。对于波数为ν的单色光，经过大气介质后，其强度满足比尔—朗伯定理：
dI(v)＝-γ(v)I(v)dl (1)，
对于均匀介质，消光系数γ与路径无关时，上式可写成积分形式：
I(v)＝I0(v)exp(-γ(v)l) (2)，
其中I表示通过长度为l的大气介质后单色光的强度，I0表示通过大气介质前的单色光强度。
激光经50:50的分束器后，经含有赫里奥特池的光纤和纯光纤后的电信号I1和电信号I2的比值设为τ：
其中γ为本方法所测量的消光系数，lm为经赫里奥特池多次反射后光束在待测大气中走过的路程。
对于以水平天空为背景的黑体目标物，目标物和背景视亮度对比可以表示为：
当ε＝0.02时，气象能见度定义为：
本发明建立了基于光纤的大气水平能见度在线测量方法，利用赫里奥特池使得光束行程数量级增大，通过两个光纤光路的光能量比值直接获得透过率，进而监测消光系数的动态变化；本发明是对消光系数的原位测量，检测灵敏度高，操作简便。
本发明的优点为：
1、将小空间测量和长空气柱测量融为一体，通过消光系数的在线测量，实现了大气能见度的实时获取；
2、含有赫里奥特池的全光纤结构，使得能见度测量装置易于小型化；
3、赫里奥特池的封装通过双层百叶窗实现，避免了抽气泵的使用，实现了面向大气的直接测量；
4、消光系数测量为相对测量，测量结果不受光源稳定性和能量的影响；
5、利用浓度线性变化的吸收气体标定后即可实现能见度的准确测量，原理简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明能见度的测量方法原理示意图。
图2为本发明赫里奥特池反射镜结构原理图。
图3为本发明赫里奥特池的封装结构剖面图。
具体实施方式
如图1所示，基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，将激光经单模光纤传输至分束器后分成能量相等的两束光，两束光在两根长度相等的单模光纤中分别传输，其中一束光经环形器后穿过光纤准直器进入赫里奥特池，其能量因与池内待测大气相互作用而衰减，赫里奥特池两端的反射镜使得该光束形成多次反射，极大地延长了光束与待测大气的作用距离，多次反射后该光束原路返回，再次穿过准直器沿光纤传输，经环形器后转化为电信号一，另一束光经光纤直接转化为电信号二，根据电信号一和电信号二的比值获得待测地点的消光系数，继而获得能见度。赫里奥特池的反射镜上分别设有气流扩散凸面圆板，所形成的气流对反射镜形成冲刷，在防止池内待测地点的大气样品所含污染物在反射镜面的沉积，保证反射镜稳定的高反射率。
赫里奥特池采用双层百叶窗结构封装，在保证隔离外界杂散光的基础上，实现了赫里奥特池内外待测大气的顺畅流动。
消光系数是电信号一和电信号二的比值，该值是散射和吸收综合作用的结果，激光能量值的大小和波动对结果不产生影响，电信号一和电信号二的光电转换均为能量转换，光纤仅作为能量传输介质，具有较强的环境适应性。
本发明具体操作过程如下：
1)选择匹配的光隔离器和光环形器，联合赫里奥特池和50:50的分束器建立能见度测量系统；
2)将赫里奥特池放入密闭系统，利用气帘气体冲刷赫里奥特池的反射镜，通入纯净空气；
3)通过信号发生器调制产生便于后期处理的脉冲光束，利用两路光电转换信号获得赫里奥特池内光束所经路程的消光系数本底值；
4)通入浓度线性变化的NO2气体，标定出电信号一与电信号二的比值与NO2消光系数之间的关系；
5)将赫里奥特池置于待测地点处，利用气帘气体冲刷赫里奥特池的反射镜，待测大气流经赫里奥特池，利用上述4)的标定关系得到其消光系数，扣除本底值，获得所测大气的消光系数，由能见度公式实时获得所测地点的能见度。

Claims (4)

1.基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，其特征在于：将激光经单模光纤传输至分束器后分成能量相等的两束光，两束光在两根长度相等的单模光纤中分别传输，其中一束光经环形器后穿过光纤准直器进入赫里奥特池，其能量因与池内待测大气相互作用而衰减，赫里奥特池两端的反射镜使得该光束形成多次反射，极大地延长了光束与待测大气的作用距离，多次反射后该光束原路返回，再次穿过准直器沿光纤传输，经环形器后转化为电信号一，另一束光经光纤直接转化为电信号二，根据电信号一和电信号二的比值获得待测地点的消光系数，继而获得能见度。
2.根据权利要求1所述的基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，其特征在于：所述赫里奥特池的反射镜上分别设有气流扩散凸面圆板，所形成的气流对反射镜形成冲刷，以防止池内待测地点的大气样品所含污染物在反射镜面的沉积，保证反射镜稳定的高反射率。
3.根据权利要求1所述的基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，其特征在于：所述赫里奥特池采用双层百叶窗结构封装，在保证隔离外界杂散光的基础上，实现了赫里奥特池内外待测大气的顺畅流动。
4.根据权利要求1所述的基于多次反射的能见度的光纤式测量方法，其特征在于：消光系数是电信号一和电信号二的比值，该值是散射和吸收综合作用的结果，激光能量值的大小和波动对结果不产生影响，电信号一和电信号二的光电转换均为能量转换，光纤仅作为能量传输介质，具有较强的环境适应性。
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