CN108681059A - 亚微秒级二维光学观测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种亚微秒级二维光学观测装置，包括：信号捕捉单元(1)，用于在平行于阵列平面的维度捕捉二维发展的光信号；光电转换单元(2)，用于实现光信号的光电转换；信号采集存储单元(3)，用于完成信号采集，并实现波形的数字化存储；所述光电转换单元(2)的输入端通过光缆(4)与信号捕捉单元(1)的输出端相连，光电转换单元(2)的输出端通过同轴电缆(5)与信号采集存储单元(3)的输入端相连。本发明的亚微秒级二维光学观测装置，能够同时观测瞬态光过程的强度、上升时间和二维发展速度。
Description
技术领域
本发明属于光学观测设备技术领域，特别是一种能够同时观测瞬态光过程的强度、上升时间和二维发展速度，且便于扩充，观测精度高的亚微秒级二维光学观测装置。
背景技术
对于雷电防护系统的合理设计而言，正确地认识先导连接过程至关重要，但雷电发展的随机性使其先导连接过程复杂多变，致使当前对连接过程的理解仍然比较欠缺。相比电学手段，光学观测可以清晰直观地呈现先导的通道形状、步进速度以及雷暴强度等细节特性。
由于上行先导持续时间短、尺度小，对其进行高时空分辨率的光学观测并非易事，究其原因在于，其中的部分过程大都出现在亚微秒尺度，常规的技术手段无法对其进行充分捕捉。虽然高速摄像机在先导观测领域应用十分广泛，但是根据在实验室长间隙放电模拟和人工引雷实验中的观测可知，只有当摄像机帧率高于30万帧/秒时，才能较为清晰地捕捉到先导起始过程。然而，在实际应用中，为了确保摄像系统的视野及空间分辨率，摄像机一般不会保持如此高的拍摄速率，且其价格高昂。
现有高速光学观测装置如中国发明专利申请“一种高速光学测速装置”(申请号：201510144476.7，公开日：2015-06-10，授权日：2015-12-30)，其包括信号捕捉模块、噪声抑制模块、信号调理模块以及信号采集存储等模块。但该高速光学测速装置信号捕捉模块中的感光阵列为一维高速光电二极管阵列。光电二极管体积相对较大，难以在光学镜头的焦平面上扩充数量。此外，该高速光学测速装置虽时间分辨率满足观测需求，但其主要关注先导垂直方向的发展速度，无法同时观测先导水平方向发展速度。
因此，现有技术存在的问题是：亚微秒级光学观测装置不能观测瞬态光过程的二维发展速度，扩充不便，精度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种亚微秒级二维光学观测装置，能够同时观测瞬态光过程的强度、上升时间和二维发展速度，且便于扩充，观测精度高。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种亚微秒级二维光学观测装置，包括：
信号捕捉单元1，用于在平行于阵列平面的维度捕捉二维发展的光信号；
光电转换单元2，用于实现光信号的光电转换；
信号采集存储单元3，用于完成信号采集，并实现波形的数字化存储；
所述光电转换单元2的输入端通过光缆4与信号捕捉单元1的输出端相连，光电转换单元2的输出端通过同轴电缆5与信号采集存储单元3的输入端相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、能够同时观测瞬态光过程的强度、上升时间和二维发展速度：瞬态光过程在发展过程中透过光学镜头被光纤阵列平面上的光纤依次捕捉，根据相似三角形原理，垂直维度的光纤响应可以反推瞬态光过程的垂直发展速度，水平维度的光纤响应可以反推瞬态光过程的水平发展速度；光纤捕捉到的波形的上升沿和峰值分别代表了瞬态光过程的上升时间和相对光强。
2、方便扩充：信号捕捉单元中全介质光缆直径小，数量扩充较为方便；
3、观测精度高：光电转换模块置于屏蔽壳体，屏蔽效能100dB以上，确保了装置的观测精度；
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明亚微秒级二维光学观测装置的结构框图。
图2是图1中信号捕捉模块的工作原理图。
图3是本发明亚微秒级二维光学观测装置的工作原理图。
图中，1信号捕捉单元，2光电转换单元，3信号采集存储单元，4光缆，5同轴电缆，6导线，7屏蔽壳体，
11光学镜头，12二维光纤阵列平面，
21光探测模块，22信号调理模块，
221放大补偿电路，222阻抗变换电路，
ΔH—光脉冲信号的垂直发展高度，ΔL—光脉冲信号的水平发展距离，Δh—光纤头的垂直间距，Δl—光纤头的水平间距，d—光脉冲信号所在垂直平面与镜头平面间的水平距离，f—镜头焦距，
S1—光纤头1捕捉的光信号，S2—光纤头2捕捉的光信号，t1—光纤头1捕捉的光信号上升到最大值所对应的时刻，t2—光纤头2捕捉的光信号上升到最大值所对应的时刻，tr—信号从10％的峰值光强上升到90％峰值光强所需的时间。
具体实施方式
如图1所示，本发明亚微秒级二维光学观测装置，包括：
信号捕捉单元1，用于在平行于阵列平面的维度捕捉二维发展的光信号；
光电转换单元2，用于实现光信号的光电转换；
信号采集存储单元3，用于完成信号采集，并实现波形的数字化存储；
所述光电转换单元2的输入端通过光缆4与信号捕捉单元1的输出端相连，光电转换单元2的输出端通过同轴电缆5与信号采集存储单元3的输入端相连。
如图1所示，
所述信号捕捉单元1包括置于前端的光学镜头11和置于后端的二维光纤阵列平面12；
所述光学镜头11用于对准被观测物体，所述二维光纤阵列平面12的输出端通过光缆4与光电转换单元2的输入端相连。
优选地，所述二维光纤阵列平面12由多束光缆头部等间距排列构成。
二维光纤阵列平面12中全介质光缆直径小，数量扩充较为方便。
如图1所示，
所述光电转换单元2包括光探测模块21和信号调理模块22；
所述光探测模块21，用于将光信号转换为正比于接收光强度的电信号；
所述信号调理模块22，用于对电信号放大与补偿和阻抗变换，得到输出电压；
所述光探测模块21的输入端通过光缆4与二维光纤阵列平面12的输出端相连，其输出端通过导线6与信号调理模块22的输入端相连，所述信号调理模块22的输出端通过同轴电缆5与信号采集存储单元3的输入端相连。
如图1所示，
所述信号调理模块22包括通过导线6依次串联的放大补偿电路221和阻抗变换电路222。
优选地，所述放大补偿电路221为T型电阻反馈网络。
放大补偿电路221使用T型电阻反馈网络，在保证高灵敏度的同时，消除单一电阻的寄生电容效应。
优选地，所述光缆4为不含金属加强筋的全介质光缆。
全介质光缆可大大降低雷电发生时，外部强电磁场对观测信号的耦合。
优选地，所述光电转换单元2置于屏蔽壳体7内。
光电转换单元2置于屏蔽壳体内，可以有效消除空间中的电磁干扰、背景光等对所测信号的影响，去噪、放大后的电信号驱动高速采集存储模块。
如图1所示，本发明亚微秒级二维光学观测装置的工作过程如下：
光信号经光学镜头被二维光纤阵列捕捉，通过全介质光缆4连接至光探测单元，转换为正比于接收光强度的电信号，经导线6输入信号调理单元进行信号放大与补偿，再经阻抗变换转换为输出电压并通过同轴电缆5进入信号采集存储模块。光探测单元和信号调理单元构成的光电转换模块置于屏蔽壳体7内。
所述的全介质光缆可大大降低雷电发生时，外部强电磁场对观测信号的耦合。
所述的屏蔽壳体可消除外部静电磁场干扰源对测量装置强加的背景噪声。
所述的信号捕捉模块工作原理示于图2，假定光脉冲信号的垂直发展高度为ΔH，光脉冲信号的水平发展距离为ΔL，光纤头的垂直间距为Δh，光纤头的水平间距为Δl，光脉冲信号所在垂直平面与镜头平面间的水平距离为d，镜头焦距为f，则利用相似三角形原理可得
所述装置的光学观测原理示于图3，信号S1为光信号在高度H1、水平位置L1处，被光纤头1捕捉的脉冲信号，信号S2为光信号在高度H2、水平位置L2处，被光纤头2捕捉的脉冲信号；上升时间tr定义为信号从10％的峰值光强上升到90％峰值光强所需的时间；t1为信号S1上升到最大值所对应的时刻，t2为信号S2上升到最大值所对应的时刻。以闪电为例，光脉冲信号的光强度反应了雷暴强度，且通过计算光脉冲信号在二维光纤阵列平面被不同光纤头捕获的时间差，可以计算其垂直和水平发展速度：
所述光学镜头为普通相机的定焦镜头；所述光探测单元的主要器件为HFBR-2416MZ接收器；所述信号调理单元的主要器件为LMH6624运放；所述信号采集存储模块的主要器件为PCI4722高速采集卡。
Claims (8)
1.一种亚微秒级二维光学观测装置，其特征在于，包括：
信号捕捉单元(1)，用于在平行于阵列平面的维度捕捉二维发展的光信号；
光电转换单元(2)，用于实现光信号的光电转换；
信号采集存储单元(3)，用于完成信号采集，并实现波形的数字化存储；
所述光电转换单元(2)的输入端通过光缆(4)与信号捕捉单元(1)的输出端相连，光电转换单元(2)的输出端通过同轴电缆(5)与信号采集存储单元(3)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的亚微秒级二维光学观测装置，其特征在于：
所述信号捕捉单元(1)包括置于前端的光学镜头(11)和置于后端的二维光纤阵列平面(12)；
所述光学镜头(11)用于对准被观测物体，所述二维光纤阵列平面(12)位于光学镜头(11)的焦平面上，二维光纤阵列平面(12)的输出端通过光缆(4)与光电转换单元(2)的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的亚微秒级二维光学观测装置，其特征在于：
所述二维光纤阵列平面(12)由多束光缆头部等间距排列构成。
4.根据权利要求2所述的亚微秒级二维光学观测装置，其特征在于：
所述光电转换单元(2)包括光探测模块(21)和信号调理模块(22)；
所述光探测模块(21)，用于将光信号转换为正比于接收光强度的电信号；
所述信号调理模块(22)，用于对电信号放大与补偿和阻抗变换，得到输出电压；
所述光探测模块(21)的输入端通过光缆(4)与二维光纤阵列平面(12)的输出端相连，其输出端通过导线(6)与信号调理模块(22)的输入端相连，所述信号调理模块(22)的输出端通过同轴电缆(5)与信号采集存储单元(3)的输入端相连。
5.根据权利要求4所述的亚微秒级二维光学观测装置，其特征在于：
所述信号调理模块(22)包括通过导线(6)依次串联的放大补偿电路(221)和阻抗变换电路(222)。
6.根据权利要求6所述的亚微秒级二维光学观测装置，其特征在于：
所述放大补偿电路(221)为T型电阻反馈网络。
7.根据权利要求1所述的亚微秒级二维光学观测装置，其特征在于：
所述光缆(4)为不含金属加强筋的全介质光缆。
8.根据权利要求1所述的亚微秒级二维光学观测装置，其特征在于：
所述光电转换单元(2)置于屏蔽壳体(7)内。
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