CN107144543A - 一种收发一体式开放光路大气检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大气红外检测设备，具体涉及一种收发一体式开放光路大气检测系统，包括集成在机体内的红外信号发射单元和红外信号接收单元，以及反射单元，红外信号发射单元发出的红外光束投射在反射单元上，经反射单元反射后原路返回至机体，并入射到红外信号接收单元；反射单元为至少两个间隔分布在检测空间区域内，红外信号发射单元的红外光束出射方向为可调式设置，使红外光束能够选择性的投射到任意一个反射单元上。本发明利用反射单元分反射使红外光束的行程增加一倍，缩短了同样行程下两设备之间的距离，降低了设备调试的难度；本发明中的红外光束能够在几个不同路径上进行切换，以便对待测区域内不同方向上的大气进行检测，检测数据更加可靠。
Description
技术领域
本发明属于大气红外检测设备，具体涉及一种收发一体式开放光路大气检测系统。
背景技术
大气污染是我国当前面临的重大问题之一，对环境空气进行连续在线监测、掌握污染气体排放、扩散及演变规律，实现精确溯源对于制定减排政策、评估减排方案、彻底解决大气污染问题具有重要意义。利用待测气体的“红外指纹”吸收特征进行光谱定量分析，从而获取待测气体浓度在气体在线检测领域具有重要应用。基于红外光谱技术的气体浓度检测分为抽取式检测和开放光路式检测两种方法，抽取式检测需将待测气体抽入样品池内，因此该方法只能进行点源检测，在开放光路式检测方法中红外辐射信号直接穿过待测区域。相比于抽取式检测方法，开放光路式检测可实现大范围的区域化检测。而开放光路式的区域化检测则对光学系统提出了更高的要求，需要简单、高效的光学系统来保证红外光谱检测系统稳定性。现有开放光路检测设备大部分为对射式开放光路，即红外信号发射端与红外信号接收端分别安装在相互远离的两地，红外信号沿直线路径穿过大气，这种借测设备的缺陷在于，分置于两地的红外信号发射端和红外信号接收端均需要对各自的安装角度进行精确调整，调试过程费时费力，另外，对射式光路的光程跨度较大，两端设备相聚较远，进一步增加了调试的难度。另外，现有技术中的检测设备一旦调整到位，就只能对一条路径上的大气进行检测，无法对待测区域内的其它方位进行检测，检测数据的可靠性难以保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种光程长、跨度小，且能够对不同路径上的大气进行检测的收发一体式开放光路大气检测系统。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种收发一体式开放光路大气检测系统，包括集成在同一机体内的红外信号发射单元和红外信号接收单元，以及远离机体设置的反射单元，所述红外信号发射单元发出的红外光束投射在反射单元上，红外光束经反射单元反射后原路返回至机体内，并入射到所述红外信号接收单元；所述反射单元为至少两个间隔分布在检测空间区域内，所述红外信号发射单元的红外光束出射方向为可调式设置，使红外光束能够选择性的投射到任意一个反射单元上。
所述机体上安装有一卡氏望远镜，所述卡氏望远镜的尾端设有一通光孔，所述通光孔的外侧设有第一分束片；所述红外信号发射单元的出射光束穿透所述第一分束片后进入卡氏望远镜，出射光束经卡氏望远镜扩束后射出；出射光束经反射单元反射后原路返回进入卡氏望远镜，反射光束经卡氏望远镜聚焦后返回所述第一分束片，反射光束经第一分束片反射后被红外信号接收单元接收。
所述机体上安装有一卡氏望远镜，所述卡氏望远镜的尾端设有一通光孔，所述通光孔的外侧设有第一分束片；所述红外信号发射单元的出射光束经所述第一分束片反射后进入卡氏望远镜，出射光束经卡氏望远镜扩束后射出；出射光束经反射单元反射后原路返回进入卡氏望远镜，反射光束经卡氏望远镜聚焦后返回所述第一分束片，反射光束穿过第一分束片后被红外信号接收单元接收。
所述机体安装在二轴转台上，二周转台的其中一个转轴竖直设置，另一个转轴水平且与红外信号发射单元的出射光束垂直；所述出射光束通过二周转台的运动来改变出射方向，实现出射光束在各反射单元之间的切换。
所述卡氏望远镜的前方还设有反射镜，所述反射镜的镜面与卡氏望远镜的轴线既不垂直也不平行，且反射镜沿卡氏望远镜的轴线转动设置；所述红外信号发射单元的出射光束经该反射镜反射后射向反射单元；所述出射光束通过该反射镜的转动来改变出射方向，实现出射光束在各反射单元之间切换。
所述二轴转台的两个转轴均由伺服电机驱动，所述伺服电机的信号输出端与控制系统相连，所述控制系统能够控制二周转台在预设的两个以上角度之间进行切换，每个预设角度分别对应一个反射单元。
所述二轴转台的两个转轴均由伺服电机驱动，所述伺服电机的信号输出端与控制系统相连；所述机体内设有PSD位置传感器，所述入射红外信号接收单元的入射光束经第二分束片分出一条分支光路投射在PSD位置传感器上，PSD位置传感器的信号输出端与所述控制系统相连，当控制系统要控制光束在不同反射单元间进行切换时，首先驱动机体转动，当PSD位置传感器接收到反射信号，且反射信号到达最大值时，控制系统控制机体停止转动。
所述反射镜安装在一环形转盘的中心孔内，所述环形转盘由伺服电机驱动，所述伺服电机与控制系统连接，所述控制系统能够控制环形转盘在预设的两个及以上角度之间进行切换，每个预设角度分别对应一个反射单元。
所述反射镜安装在一环形转盘的中心孔内，所述环形转盘由伺服电机驱动，所述伺服电机与控制系统连接；所述机体内设有PSD位置传感器，所述入射红外信号接收单元的入射光束经第二分束片分出一条分支光路投射在PSD位置传感器上，PSD位置传感器的信号输出端与所述控制系统相连，当控制系统要控制光束在不同反射单元间进行切换时，首先驱动反射镜转动，当PSD位置传感器接收到反射信号，且反射信号到达最大值时，控制系统控制反射镜停止转动。
所述反射镜包括多个呈百叶窗式布置的反射面，沿卡氏望远镜的轴线方向看，相邻两反射面上相互靠近的两条边缘重合；所述反射单元是由多个三面式角反射镜组成的角镜阵列。
本发明的技术效果在于：本发明利用反射单元分反射使红外光束的行程增加一倍，缩短了同样行程下两设备之间的距离，降低了设备调试的难度；另外本发明中的红外光束能够在几个不同路径上进行切换，以便对待测区域内不同方向上的大气进行检测，检测数据更加可靠。
附图说明
图1是本发明的实施例1所提供的检测系统的原理图；
图2是本发明的实施例2所提供的检测系统的原理图；
图3是本发明的实施例3所提供的检测系统的原理图；
图4是本发明的实施例4所提供的检测系统的原理图；
图5是本发明的实施例5所提供的检测系统的原理图；
图6是本发明的实施例6所提供的检测系统的原理图；
图7是本发明的实施例所提供的机体的立体结构示意图，该机体前端的反射镜安装结构适用于实施例4-6任意一项；
图8是本发明的实施例所提供的反射单元的立体结构示意图，该反射单元适用于实施例1-6任意一项；
图9是本发明的实施例所提供的检测系统在其中一个探测方向上的立体结构示意图；
图10是本发明的实施例所提供的检测系统在另一个探测方向上的立体结构示意图；
图11、12是反射镜采用整体结构和百叶窗结构两种不同实施方式的效果对比图；
图13、14是反射单元采用单个大角镜和小角镜阵列两种不同实施方式的效果对比图，图中L和L’分别为两种实施方式下光束的偏移量。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
如图1所示，红外信号发射单元包括红外光源11和椭球镜17，所述红外光源11发出的散射光经椭球镜17反射后穿过第一分束片13进入卡氏望远镜14，卡氏望远镜14将散射光扩束为准直的平行光，平行光射向反射单元15，反射单元15由角镜构成，平行光经反射单元15反射后按原路径返回进入卡氏望远镜14，经卡氏望远镜14聚焦后投射在第一分束片13上，然后经第一分束片13反射后再由第一抛物面镜16反射成平行光进入红外信号接收单元12，所述红外信号接收单元12为光谱仪。本实施例中利用机体10的整体转动来改变光束的出射方向，并采用预设角度的方式控制机体10在不同反射单元15之间进行切换。
实施例2
如图2所示，红外信号发射单元包括红外光源11、第二抛物面镜19和干涉仪18，红外光源11发出的散射光经第二抛物面镜19反射成平行光，并进入干涉仪18生成干涉信号，干涉信号从干涉仪18射出并穿过所述第一分束片13进入卡氏望远镜14，干涉信号经卡氏望远镜14扩束后射向反射单元15，反射单元15同样有角镜构成，干涉信号经反射单元15反射后按原路径返回进入卡氏望远镜14，经卡氏望远镜14聚焦后投射在第一分束片13上，然后经第一分束片13反射再由第一抛物面镜16反射聚焦后投射在红外信号接收单元12内，红外信号接收单元12为红外探测器。本实施例中利用机体10的整体转动来改变光束的出射方向，并采用预设角度的方式控制机体10在不同反射单元15之间进行切换。
实施例3
如图3所示，红外信号发射单元包括红外光源11，红外光源11发出的散射光直接穿过第一分束片13进入卡氏望远镜14内，经卡氏望远镜14扩束为准直的平行光，平行光投射在反射单元15上，反射单元15为角镜，平行光经反射单元15反射后原路返回进入卡氏望远镜14，经卡氏望远镜14聚焦后投射在第一分束片13上，然后经第一反射片反射后投射在第二分束片20上，第二分束片20分出的两条光束一条进入红外信号接收单元12，另一条进入PSD位置传感器21，红外信号接收单元12为光谱仪。本实施例中利用机体10的整体转动来改变光束的出射方向，并采用反馈控制方式控制机体10在不同反射单元15之间进行切换，具体为：当控制系统要控制光束在不同反射单元15间进行切换时，首先驱动机体10转动，当PSD位置传感器21接收到反射信号，且反射信号到达最大值时，控制系统控制机体10停止转动。
实施例4
如图4所示，红外信号发射单元包括红外光源11和椭球镜17，红外光源11发出的红外信号经椭球镜17反射后穿过第一分束片13进入卡氏望远镜14内，经卡氏望远镜14扩束为平行光束，平行光束经反射镜22反射后射向反射单元15，平行光束经反射单元15反射后原路返回，然后经过反射镜22反射后进入卡氏望远镜14，在由卡氏望远镜14聚焦后投射在第一分束片13上，光束经第一分束片13反射后到达第二分束片20，第二分束片20将光束分为两条，其中一条进入红外信号接收单元12，另一条进入PSD位置传感器21，所述红外信号接收单元12为光谱仪。本实施例采用反射镜22的转动来改变红外信号的出射方向，并采用反馈控制方式控制机体10在不同反射单元15之间进行切换，具体为：当控制系统要控制光束在不同反射单元15间进行切换时，首先驱动反射镜22转动，当PSD位置传感器21接收到反射信号，且反射信号到达最大值时，控制系统控制反射镜22停止转动。
实施例5
如图5所示，红外信号发射单元包括红外光源11和第二抛物面镜19，红外光源11发出的散射光经第二抛物面镜19反射成平行光，平行光投射在第一分束片13上，经第一分束片13反射后进入卡氏望远镜14，平行光束经卡氏望远镜14扩束后投射在反射镜22上，然后经反射镜22反射后射向反射单元15，反射单元15为角镜，光束经反射单元15反射后原路返回，经反射镜22反射后进入卡氏望远镜14，光束经卡氏望远镜14聚焦后直接穿过第一分束片13进入干涉仪18，干涉仪18将红外信号调制成干涉信号，干涉信号经第一抛物面镜16反射后进入红外信号接收单元12，红外信号接受单元为红外探测器。本实施例利用反射镜22的转动来改变光束的出射方向，并采用预设角度的方式控制机体10在不同反射单元15之间进行切换。
实施例6
如图6所示，红外信号发射单元包括红外光源11，红外光源11发出的散射光直接穿过第一分束片13进入卡氏望远镜14内，经卡氏望远镜14扩束为准直的平行光，平行光经反射镜22反射后投射在反射单元15上，反射单元15为角镜，平行光经反射单元15反射后原路返回，经反射镜22反射进入卡氏望远镜14，经卡氏望远镜14聚焦后投射在第一分束片13上，然后经第一反射片反射后再由第一抛物面镜16反射进入红外信号接收单元12，红外信号接收单元12为光谱仪。本实施例中利用反射镜22的转动来改变光束的出射方向，并采用预设角度的方式控制机体10在不同反射单元15之间进行切换。
作为本发明的进一步优选方案，如图7、9、10所示，所述反射镜22包括多个呈百叶窗式布置的反射面，沿卡氏望远镜14的轴线方向看，相邻两反射面上相互靠近的两条边缘重合，该反射镜22适用于实施例4-6。从图11、12的对比可以看出，在反射相同角度的情况下，采用百叶窗式的反射镜22布置方式更加节省空间。
如图8、9、10所示，所述反射单元15是由多个三面式角反射镜151组成的角镜阵列。该反射单元15适用于实施例1-6，从图13、14的对比可以看出，采用阵列设置的小角镜比采用单独的大角镜所产生的光束偏移量要小的多。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：包括集成在同一机体(10)内的红外信号发射单元和红外信号接收单元(12)，以及远离机体(10)设置的反射单元(15)，所述红外信号发射单元发出的红外光束投射在反射单元(15)上，红外光束经反射单元(15)反射后原路返回至机体(10)内，并入射到所述红外信号接收单元(12)；所述反射单元(15)为至少两个间隔分布在检测空间区域内，所述红外信号发射单元的红外光束出射方向为可调式设置，使红外光束能够选择性的投射到任意一个反射单元(15)上。
2.根据权利要求1所述的收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：所述机体(10)上安装有一卡氏望远镜(14)，所述卡氏望远镜(14)的尾端设有一通光孔，所述通光孔的外侧设有第一分束片(13)；所述红外信号发射单元的出射光束穿透所述第一分束片(13)后进入卡氏望远镜(14)，出射光束经卡氏望远镜(14)扩束后射出；出射光束经反射单元(15)反射后原路返回进入卡氏望远镜(14)，反射光束经卡氏望远镜(14)聚焦后返回所述第一分束片(13)，反射光束经第一分束片(13)反射后被红外信号接收单元(12)接收。
3.根据权利要求1所述的收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：所述机体(10)上安装有一卡氏望远镜(14)，所述卡氏望远镜(14)的尾端设有一通光孔，所述通光孔的外侧设有第一分束片(13)；所述红外信号发射单元的出射光束经所述第一分束片(13)反射后进入卡氏望远镜(14)，出射光束经卡氏望远镜(14)扩束后射出；出射光束经反射单元(15)反射后原路返回进入卡氏望远镜(14)，反射光束经卡氏望远镜(14)聚焦后返回所述第一分束片(13)，反射光束穿过第一分束片(13)后被红外信号接收单元(12)接收。
4.根据权利要求2或3所述的收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：所述机体(10)安装在二轴转台(101)上，二轴转台(101)的其中一个转轴竖直设置，另一个转轴水平且与红外信号发射单元的出射光束垂直；所述出射光束通过二轴转台(101)的运动来改变出射方向，实现出射光束在各反射单元(15)之间的切换。
5.根据权利要求2或3所述的收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：所述卡氏望远镜(14)的前方还设有反射镜(22)，所述反射镜(22)的镜面与卡氏望远镜(14)的轴线既不垂直也不平行，且反射镜(22)沿卡氏望远镜(14)的轴线转动设置；所述红外信号发射单元的出射光束经该反射镜(22)反射后射向反射单元(15)；所述出射光束通过该反射镜(22)的转动来改变出射方向，实现出射光束在各反射单元(15)之间切换。
6.根据权利要求4所述的收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：所述二轴转台(101)的两个转轴均由伺服电机(102、103)驱动，所述伺服电机(102、103)的信号输出端与控制系统相连，所述控制系统能够控制二轴转台(101)在预设的两个以上角度之间进行切换，每个预设角度分别对应一个反射单元(15)。
7.根据权利要求4所述的收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：所述二轴转台(101)的两个转轴均由伺服电机(102、103)驱动，所述伺服电机(102、103)的信号输出端与控制系统相连；所述机体(10)内设有PSD位置传感器(21)，所述入射红外信号接收单元(12)的入射光束经第二分束片(20)分出一条分支光路投射在PSD位置传感器(21)上，PSD位置传感器(21)的信号输出端与所述控制系统相连，当控制系统要控制光束在不同反射单元(15)间进行切换时，首先驱动机体(10)转动，当PSD位置传感器(21)接收到反射信号，且反射信号到达最大值时，控制系统控制机体(10)停止转动。
8.根据权利要求5所述的收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：所述反射镜(22)安装在一环形转盘(221)的中心孔内，所述环形转盘(221)由伺服电机驱动，所述伺服电机与控制系统连接，所述控制系统能够控制环形转盘(221)在预设的两个及以上角度之间进行切换，每个预设角度分别对应一个反射单元(15)。
9.根据权利要求5所述的收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：所述反射镜(22)安装在一环形转盘(221)的中心孔内，所述环形转盘(221)由伺服电机(222)驱动，所述伺服电机(222)与控制系统连接；所述机体(10)内设有PSD位置传感器(21)，所述入射红外信号接收单元(12)的入射光束经第二分束片(20)分出一条分支光路投射在PSD位置传感器(21)上，PSD位置传感器(21)的信号输出端与所述控制系统相连，当控制系统要控制光束在不同反射单元(15)间进行切换时，首先驱动反射镜(22)转动，当PSD位置传感器(21)接收到反射信号，且反射信号到达最大值时，控制系统控制反射镜(22)停止转动。
10.根据权利要求5所述的收发一体式开放光路大气检测系统，其特征在于：所述反射镜(22)包括多个呈百叶窗式布置的反射面，沿卡氏望远镜(14)的轴线方向看，相邻两反射面上相互靠近的两条边缘重合；所述反射单元(15)是由多个三面式角反射镜(151)组成的角镜阵列。
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