CN108489898A - 基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，借助二维旋转转台和控制系统进行测量。工作时，通过对旋转平台的全自动控制，可使该测量系统对准太阳，太阳平行光经光学斩波和滤波后形成一定频率和带宽的信号到达探测器，探测器输出的峰值信号是与光强成正比的电压信号，该电压信号即红外波段太阳光强变化信号，经峰值保持和采样后送入控制系统进行存储和显示。通过滤光片旋转，可实现1.0~4.5μm范围内7个波段信号测量，再根据“基于太阳宽谱直接辐射提取激光谱线透过率方法”来得到近中红外多个激光波段透过率。
Description
技术领域
本发明涉及大气测量装置领域，具体是一种基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统。
背景技术
激光具有高亮度、良好的单色性、方向性及相干性电磁波的一切通性，在很多科学领域都得到了广泛应用。1.064μm激光大气衰减系数比较小，工作于该波段的YAG激光器技术成熟、可靠。氧碘激光器作为一种新型的高性能化学激光器，其输出的红外激光波长1.315μm，恰好接近大气窗口，具有良好的传输特性。1.54μm波长激光由于其处于人眼安全波段、大气穿透能力强等特点在激光测距以及激光通信中受到广泛的重视。中红外3~5μm波段激光具有高重复频率、高稳定性、结构紧凑等特点。
但同时，激光在大气中传输时会因种种因素导致强度衰减，会直接影响其应用。激光在大气中的传输通常用大气透过特性来表述，大气透过率是这些激光工程应用中的重要参数。因此，实时获取激光波段大气透过率，具有重要的应用前景。
本发明提出一种光源调制太阳光度计技术测量红外激光波段大气透过率的方法。采用光源调制方法实测得到多个激光波段大气透过率。借助大气辐射传输模拟计算软件，对一定带宽的激光波段大气透过率进行模拟计算分析研究，寻求从宽波段大气透过率中提取窄带激光波段大气透过率的方法。
发明内容
本发明目的是提供一种可用于测量1.0μm～4.5μm近中红外激光波段透过率的测量系统，实现多个红外激光波段大气透过率的实时测量，以改进现阶段获取激光波段大气透过率方法的不足。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统,其特征在于：包括有测量光筒、跟踪光筒、探头筒身，所述探头筒身包括筒身前盖板、筒身后盖板、筒身和筒身底板，筒身前盖板垂直连接有测量光筒和位于测量光筒正下方的跟踪光筒，测量光筒、跟踪光筒中心轴线相互平行，测量光筒、跟踪光筒后端分别与探头筒身内连通，其中测量光筒前端为筒口，测量光筒内从前端筒口向后依次共中心轴安装有四个光栏，相邻光栏之间共中心轴设有光圈，测量光筒后端至筒身前盖板依次有滤光片、斩波器和近中红外透镜；近中红外透镜设在测量光筒与探头筒身连通处内并与测量光筒共中心轴，探头筒身内位于近中红外透镜后方设有探测器，所述探测器位于测量光筒中心轴线的延伸线上，探测器的探测面与测量光筒中心轴线垂直且朝向近中红外透镜，探头筒身内转动安装有由步进电机驱动的滤光转盘，滤光转盘位于近中红外透镜与探测器之间，滤光转盘中心轴线与测量光筒中心轴线平行；所述跟踪光筒前端封闭且设有中心通孔，跟踪光筒与探头筒身连通处内设有与跟踪光筒共中心轴的四象限探测器，四象限探测器的探测面朝向跟踪光筒前端，所述探头筒身内设有峰值检测采集板，所述四象限探测器、探测器分别与峰值检测采集板输入端连接。
所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述测量光筒的总长为22.7cm，测量光筒包括测量光筒筒身和斩波器底座，其中测量光筒筒身和斩波器底座长分别为：15.2cm和7.5cm，筒身内四个光栏通光口径由大到小依次为5.46mm、4.64mm、3.82mm、3mm，光栏通光口端面加工为锥面，三个光圈长：45mm，口径为28mm，近中红外透镜直径为25.4mm，通光口径20mm，透镜焦距100mm，光筒上述设计仅让1度视场内的太阳光通过，避免1度以外的杂散光通过，增强设备测量精度。
所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述斩波器采用微型斩波器：长37mm、宽32mm、高50mm，内部封装有通光直径8.3mm的4扇叶斩波轮以及可带动转波轮转动的电机，微型斩波器置于斩波器底座和探头筒身前盖板前端，用于对连续太阳光进行光强调制，使得探测器可响应近中红外波段信号，通过对微型斩波器电机的驱动和控制，可让微型斩波器以10Hz～10KHz的频率转动。
所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述跟踪光筒筒身长12.98cm , 跟踪光筒前端内部设有燕尾槽和燕尾槽调节座，燕尾槽与燕尾槽调节座结合可调节四象限探测器光敏面中心与中心通孔的中心一致，四象限探测器光敏面直径4mm，被均分为四个象限，用于检测太阳中心位置，四象限探测器输出引脚有6个，4个分别为4个象限的象限信号，2个为地，接于数据采集板上进行信号放大和采集。
所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述滤光转盘中开有8个沿环向均匀分布的孔，其中一个孔内设有黑色不透光块，其余孔内分别设有滤光片，所述滤光转盘其中任意一个孔的中心可转动至测量光筒中心轴线的延伸线上。
所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述滤光转盘包括电机、电机支架、转盘、滤光转盘轴、光电开关、零位检测盘及光电开关支架；零位检测盘上均匀分布8个狭缝，分别对应7个滤光片和1个黑色不透光块的中心，用于定位滤光片2和黑色不透光块的中心位置，零位光电开关检测到狭缝时输出1，未检到狭缝时输出0。
所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述探测器包括硒化铅探测器、帕尔贴片、温度传感器、探测器外盒以及探测器内盒，硒化铅探测器的响应波段1.0~4.5μm，感光面直径2mm，带有前置放大，硒化铅探测器置于探头筒身内，通过螺丝固定于筒身底板。
所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述峰值检测采集板包括峰值检测板、峰值采集板、检测板采集板支架，从上往下依次为峰值检测板、检测板采集板支架和采峰值集板，峰值检测板、峰值采集板功能有对四象限探测器四个象限的前置放大，对硒化铅探测器、四象限探测器各象限的程控放大和信号采集，通过控制电路对其信号进行采集和传输。
所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述筒身后盖板后端面连接三个探头航空插座，三个探头航空插座分别是DC供电插座、采集控制插座和驱动插座，DC供电插座用于给探测器、峰值检测板、峰值采集板、帕尔贴片、温度传感器供电，采集控制插座用于传输峰值采集板采集到的数字信号和温度传感器的输出信号，驱动插座用于对滤光转盘的步进电机的驱动连接。
太阳平行光经测量光筒进行光学斩波和滤波后形成一定频率和带宽的信号到达探测器，硒化铅探测器输出的峰值信号是与光强成正比的电压信号，该电压信号即红外波段太阳光强变化信号，经峰值检测板采集板进行峰值保持和采样后送入控制系统进行存储和显示。
本发明的原理是：
基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，借助二维旋转转台和工控机进行测量，工作时，将转台正面朝南水平放置，工控机的控制软件发送命令给峰值采集控制电路，通过光电开关零位检测找到水平和俯仰零位后控制二维旋转转台回到正南和水平初始位置，根据天文视日轨迹粗跟踪方法使太阳跟踪测量探头指向太阳，并启动四象限精跟踪，使探头的测量光筒对准太阳，太阳平行光通过斩波器形成一定频率的交变信号经光筒内透镜聚焦后，再经一定带宽滤光片滤波后入射到硒化铅探测器的感光面，探测器输出的交变电信号再经峰值检测电路，输出与光强成正比的电压信号，该电压信号即红外波段太阳光强变化信号，经采集后送入控制电路，通过滤光片旋转，可将7个波段和背景信号存入控制电路，再通过RS422串口传送到测量控制软件进行存储和显示。循环跟踪和采集，可得到全天时间序列变化1.0μm～4.5μm中1.05μm、1.064μm、1.315μm、1.320μm、1.54μm、1.62μm、3.8μm 7个近中红外波段与太阳直接辐射成正比的电信号，对测量的各波段电信号采用Langley法和改进的Langley法进行相对定标得到该测量仪的定标值，进而根据透过率测量原理可得到各波段透过率，对于激光波段透过率可根据“基于太阳宽谱直接辐射提取激光谱线透过率方法”得到。
主要技术指标：
测量中心波长：1.05、1.064、1.315、1.320、1.54、1.62和3.8μm；
滤光片半高带宽：1.05、1.064 @10nm，1.315、1320、1.54、1.62 @12nm，3.8@125nm；
视场角：1°；
跟踪角分辨率： 0.004°；
工作温度：-25℃～55℃；
非激光波段透过率测量精度：10%；
激光波段透过率测量精度：15%；
水汽总量测量精度：15%。
与现有技术相比，本发明具有的积极效果在于：
1) 本测量系统可实现1.0μm~4.5μm中7个波段的太阳直接辐射测量；
2）解决传统太阳辐射计测量红外波段仅到2.2μm的局限性问题；
3）可用于同时测量近中红外5个激光波段大气透过率。
附图说明
图1为本发明的测量原理示意图。
图2为本发明的总体结构示意图。
图3为本发明的太阳跟踪测量探头内部剖视图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示。近中红外激光波段透过率测量系统，包括有测量光筒1、跟踪光筒2、探头筒身，筒身内壁涂黑，内部所有部件发黑处理。
测量光筒1包括测量光筒筒身1-1、前端光筒盖1-2、斩波器底座1-3、滤光片、近中红外透镜1-4、四个光栏1-5、三个套筒1-6，测量光筒筒身1-1前端和后端都开孔且带有外螺纹，滤光片置于斩波器1-3-1前，测量光筒筒身1-1内交叉放置四个光栏1-5和三个套筒1-6，并通过前端光筒盖1-2压紧；斩波器底座1-3前端开孔且带有内螺纹，前端与测量光筒筒身1-1后端螺纹连接，近中红外透镜1-4通过外螺纹透镜压圈1-7装于斩波器底座1-3后端内部，斩波器底座1-3内部有微型斩波器1-3-1，通过斩波器底座盖1-3-2固定在斩波器底座1-3上。
跟踪光筒2包括跟踪光筒筒身2-1、跟踪光筒压盖2-2、燕尾槽2-3、四象限探测器2-4、探测器座2-5，跟踪光筒筒身2-1前端开孔且带有外螺纹，与带有内螺纹的跟踪光筒压盖2-2螺纹连接，燕尾槽2-3固定于跟踪光筒筒身2-1前端内部，跟踪光筒筒身2-1后端开孔且带有内螺纹，四象限探测器2-4置于带有内螺纹的探测器座2-5内通过探测器固定座外螺纹压圈2-6压紧后置于跟踪光筒筒身2-1后端内部，通过跟踪光筒外螺纹跟踪压圈2-7固定。
探头筒身3包括探头筒身3-1、筒身前盖板3-2、筒身后盖板3-3、三个探头航空插座(3-4，3-5，3-6)、滤光转盘3-7、探测器模块3-8、锲型支撑板3-9、峰值检测板采集板装配体，探头筒身3-1内壁涂黑，内部所有部件发黑处理，峰值检测板采集板装配体包括峰值检测板3-10、峰值采集板3-11、检测板采集板支架3-12；筒身前盖板3-2前端面中心线上下各开有一个孔，分别用于固定测量光筒1、跟踪光筒2，测量光筒1、跟踪光筒2平行安装，斩波器底座1-3后端通过螺钉固定于探头筒身3的筒身前盖板3-2，跟踪光筒筒身2-1后端通过螺钉固定于探头筒身3的筒身前盖板3-2，筒身前盖板3-2后端面连接锲型支撑板3-9，锲型支撑板3-9上安装滤光转盘3-7、探测器模块3-8、峰值检测板3-10、峰值采集板3-11、检测板采集板支架3-12；筒身后盖板3-3后端面连接三个探头航空插座(3-4，3-5，3-6)；滤光转盘3-7包括转盘3-7-1、7个滤光片3-7-2、1个黑色不透光块3-7-3、步进电机3-7-4、连接轴3-7-5、电机支架3-7-6、滤光转盘零位检测装置3-7-7，7个滤光片3-7-2和1个黑色不透光块3-7-3均匀分布于开了8个孔的转盘3-7-1上；转盘3-7-1、步进电机3-7-4通过连接轴3-7-5连接后架于马达支架上3-7-6，再固定于锲型支撑板3-9上；滤光转盘零位检测装置3-7-7包括零位光电开关3-7-7-1、零位光电开关支架3-7-7-2、零位检测盘3-7-7-3，零位光电开关3-7-7-1通过支架3-7-7-2固定于锲型支撑板3-9上，零位检测盘3-7-7-3通过连接轴3-7-5同轴安装与转盘3-7-1同转，通过零位光电开关3-7-7-1可以检测转盘3-7-1初始位置及各滤光片3-7-2中心位置；探测器模块3-8包括硒化铅探测器3-8-1、两块帕尔贴片3-8-2、两个温度传感器3-8-3、探测器盒3-8-4，探测器盒3-8-4分内盒3-8-4-1与外盒3-8-4-2，内盒3-8-4-1装有硒化铅探测器3-8-1和两个温度传感器3-8-3，内盒3-8-4-1套于外盒3-8-4-2内，不直接接触，通过填充保温材料和帕尔贴片3-8-2衔接，帕尔贴片3-8-2一面紧贴内盒3-8-4-1，另一面紧贴外盒3-8-4-2。
测量光筒1总长227mm，测量光筒筒身1-1和斩波器底座1-3长分别为152mm和75mm，测量光筒筒身1-1内四个光栏1-5通光口径由大到小依次为5.46mm、4.64mm、3.82mm、3mm，通光口端面加工为锥面，长都为2mm，三个光圈1-6长都为45mm，口径28mm，透镜1-4直径为25.4mm，通光口径20mm，焦距100mm，光筒1上述设计仅让1°视场内的光通过，避免1°以外的杂散光通过，可增强设备测量精度，测量光筒1与筒身前盖板3-2连接时，连接处有密封圈可用于防尘、防雨。
跟踪光筒2总长129.8mm，内部通光孔径8mm，其前端内部固定的燕尾槽2-3包括有燕尾槽底座2-3-1、燕尾槽上下调节座2-3-2、燕尾槽左右调节座2-3-3，燕尾槽左右调节座2-3-3开有0.5mm小孔，结合燕尾槽底座2-3-1和燕尾槽上下调节座2-3-2可调节小孔中心与四象限探测器2-4光敏面中心一致，四象限探测器2-4光敏面直径4mm，被均分为四个象限，用于检测太阳中心位置，从而实现太阳的精准跟踪，四象限探测器2-4输出引脚有6个，4个分别为4个象限的象限信号，2个为地，都接于峰值采集板上进行信号放大和采集。
滤光转盘3-7采用8孔圆形设计，8个孔均匀放置黑色不透光块3-7-3和1.05、1.064、1.315、1.32、1.54、1.62、3.8μm滤光片3-7-2，直径半英寸；零位检测盘3-7-7-3盘上均匀分布8个狭缝，分别对应7个滤光片3-7-2和1个黑色不透光块3-7-3的中心，用于定位滤光片3-7-2和黑色不透光块3-7-3的中心位置，为了区分黑色不透光块3-7-3的中心位置和滤光片3-7-2的中心位置，在黑色不透光块3-7-3的狭缝附近多开一个狭缝，用于确定滤光转盘3-7-1的零位，零位光电开关3-7-7-1检测到狭缝时输出1，未检到狭缝时输出0，采集控制电路板检测到零位光电开关3-7-7-1的信号进行判断是否到达零位或是某一滤光片。
三个探头航空插座(3-4，3-5，3-6)分别是DC供电插座3-4、采集控制插座3-5和驱动插座3-6，DC供电插座3-4用于给硒化铅探测器3-8-1、峰值检测板3-10、峰值采集板3-11、帕尔贴片3-8-2、两个温度传感器3-8-3供电，采集控制插座3-5用于传输峰值采集板3-11采集到的数字信号和温度传感器3-8-3的输出信号，驱动插座3-6用于对滤光转盘步进电机3-7-4的驱动连接。
峰值检测板3-10和峰值采集板3-11通过支架3-12固定于锲型支撑板3-9上，其功能有对四象限探测器四个象限2-4的前置放大，对硒化铅探测器3-8-1、四象限探测器2-4各象限的程控放大和信号采集，通过控制电路对其信号进行采集和传输。
硒化铅探测器3-8-1响应波段1.0~4.5μm，感光面直径2mm，带有前置放大，直接输出电压信号到峰值检测板3-10进行程控放大再经由峰值采集板3-11采集。
Claims (9)
1.基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统,其特征在于：包括有测量光筒、跟踪光筒、探头筒身，所述探头筒身包括筒身前盖板、筒身后盖板、筒身和筒身底板，筒身前盖板垂直连接有测量光筒和位于测量光筒正下方的跟踪光筒，测量光筒、跟踪光筒中心轴线相互平行，测量光筒、跟踪光筒后端分别与探头筒身内连通，其中测量光筒前端为筒口，测量光筒内从前端筒口向后依次共中心轴安装有四个光栏，相邻光栏之间共中心轴设有光圈，测量光筒后端至筒身前盖板依次有滤光片、斩波器和近中红外透镜；近中红外透镜设在测量光筒与探头筒身连通处内并与测量光筒共中心轴，探头筒身内位于近中红外透镜后方设有探测器，所述探测器位于测量光筒中心轴线的延伸线上，探测器的探测面与测量光筒中心轴线垂直且朝向近中红外透镜，探头筒身内转动安装有由步进电机驱动的滤光转盘，滤光转盘位于近中红外透镜与探测器之间，滤光转盘中心轴线与测量光筒中心轴线平行；所述跟踪光筒前端封闭且设有中心通孔，跟踪光筒与探头筒身连通处内设有与跟踪光筒共中心轴的四象限探测器，四象限探测器的探测面朝向跟踪光筒前端，所述探头筒身内设有峰值检测采集板，所述四象限探测器、探测器分别与峰值检测采集板输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述测量光筒的总长为22.7cm，测量光筒包括测量光筒筒身和斩波器底座，其中测量光筒筒身和斩波器底座长分别为：15.2cm和7.5cm，筒身内四个光栏通光口径由大到小依次为5.46mm、4.64mm、3.82mm、3mm，光栏通光口端面加工为锥面，三个光圈长：45mm，口径为28mm，近中红外透镜直径为25.4mm，通光口径20mm，透镜焦距100mm。
3.根据权利要求2所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述斩波器采用微型斩波器：长37mm、宽32mm、高50mm，内部封装有通光直径8.3mm的4扇叶斩波轮以及可带动转波轮转动的电机，微型斩波器置于斩波器底座和探头筒身前盖板前端，用于对连续太阳光进行光强调制，使得探测器可响应近中红外波段信号，通过对微型斩波器电机的驱动和控制，可让微型斩波器以10Hz～10KHz的频率转动。
4.根据权利要求1所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述跟踪光筒筒身长12.98cm , 跟踪光筒前端内部设有燕尾槽和燕尾槽调节座，燕尾槽与燕尾槽调节座结合可调节四象限探测器光敏面中心与中心通孔的中心一致，四象限探测器光敏面直径4mm，被均分为四个象限，用于检测太阳中心位置，四象限探测器输出引脚有6个，4个分别为4个象限的象限信号，2个为地，接于数据采集板上进行信号放大和采集。
5.根据权利要求1所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述滤光转盘中开有8个沿环向均匀分布的孔，其中一个孔内设有黑色不透光块，其余孔内分别设有滤光片，所述滤光转盘其中任意一个孔的中心可转动至测量光筒中心轴线的延伸线上。
6.根据权利要求5所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述滤光转盘包括电机、电机支架、转盘、滤光转盘轴、光电开关、零位检测盘及光电开关支架；零位检测盘上均匀分布8个狭缝，分别对应7个滤光片和1个黑色不透光块的中心，用于定位滤光片2和黑色不透光块的中心位置，零位光电开关检测到狭缝时输出1，未检到狭缝时输出0。
7.根据权利要求1所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述探测器包括硒化铅探测器、帕尔贴片、温度传感器、探测器外盒以及探测器内盒，硒化铅探测器的响应波段1.0~4.5μm，感光面直径2mm，带有前置放大，硒化铅探测器置于探头筒身内，通过螺丝固定于筒身底板。
8.根据权利要求7所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述峰值检测采集板包括峰值检测板、峰值采集板、检测板采集板支架，从上往下依次为峰值检测板、检测板采集板支架和采峰值集板，峰值检测板、峰值采集板功能有对四象限探测器四个象限的前置放大，对硒化铅探测器、四象限探测器各象限的程控放大和信号采集，通过控制电路对其信号进行采集和传输。
9.根据权利要求8所述的基于光源调制技术的近中红外激光波段透过率测量系统，其特征在于：所述筒身后盖板后端面连接三个探头航空插座，三个探头航空插座分别是DC供电插座、采集控制插座和驱动插座，DC供电插座用于给探测器、峰值检测板、峰值采集板、帕尔贴片、温度传感器供电，采集控制插座用于传输峰值采集板采集到的数字信号和温度传感器的输出信号，驱动插座用于对滤光转盘的步进电机的驱动连接。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109633669A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-16 | 湘潭大学 | 一种利用双波段激光提高焊接中测距精度的方法 |
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