CN108872111A - 一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置，包括望远镜高度扫描机构，相机高度扫描机构，方位扫描机构及望远镜接收系统。望远镜高度扫描机构出射窗口和相机高度扫描机构出射窗口分别与方位扫描箱体望远镜入射窗口和相机入射窗口同轴相连；望远镜高度扫描机构出射光轴和相机高度扫描机构出射光轴分别与方位扫描机构望远镜入射光轴和相机光轴同轴，且与高度转动轴同轴；方位扫描机构安装在望远镜接收系统上方，其出射窗口与望远镜接收系统入射窗口同轴相连，其出射光轴与接收望远镜光轴同轴，且与方位扫描机构转动轴同轴。本发明具有安装简单、造价低及扫描精度高的特点，可广泛应用于对流层大气污染物自动监测中。

Description

一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置
技术领域
本发明属于差分吸收光谱技术领域，具体涉及一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置。
背景技术
我国大气污染问题日趋严重，特别是区域性污染，及时准确获取区域污染信息是研究、控制区域污染的前提。差分吸收光谱技术作为一种光谱遥测方法，能够成功的测量平流层、对流层中痕量气体的整层柱密度，是全面监测和评估区域大气污染物状况的有效手段。采用散射光作光源的被动差分吸收光谱技术相比使用Xe灯、激光、LED等人工光源的主动差分吸收光谱技术，具有系统简单、监测范围大、成本低及易实现诸如星载、机载等平台搭载等优点，被广泛应用于对流层NO2、HCHO、BrO等痕量气体的监测中。
散射光被动差分吸收光谱技术最初是应用于地基和天顶方向的观测，用来测量平流层痕量气体，特别是对平流臭氧化学的研究做出重要贡献。1989年初，Schiller等人首次利用NASA DC8飞机搭载天顶散射光差分吸收光谱对北极地区0C10进行观测，机载平台将散射光差分吸收光谱观测拓展到一些人为观测不利的地区,如远海和极地等。为实现对较低高度角进行观测，实时地获取对流层痕量气体三维空间分布数据，对对流层痕量气体更为敏感的多轴差分吸收光谱技术近年来得到了很大的发展。
为实现多轴差分吸收光谱技术应用，并应对不同的观测环境，就需要多种类型的多轴差分吸收光谱仪器被研发试验。但目前现有技术中很少有关于采用散射光作为光源对对流层痕量气体三维空间分布的测量装置；同时，现有的由徐晋等人研制的用于反演对流层NO2的多轴差分吸收光谱系统及石鹏等人研制的测量对流层HCHO柱浓度的多轴差分吸收光谱系统，因其具有诸如不能记录天气情况且不能用于目标反射光差分吸收光谱的应用、光纤作影响光强的转动、不能用于雨天等恶劣环境下探测、线缆裸露在仪器外部影响线缆寿命等局限，故而不能广泛应用于各种不同的观测环境中。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种安装简单、造价低、扫描精度高、可适用于雨天等恶劣环境、可记录天气情况并能用于目标反射光差分吸收光谱应用的散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置，包括望远镜高度扫描机构，相机高度扫描机构，方位扫描机构及望远镜接收系统；
所述望远镜高度扫描机构由望远镜高度扫描棱镜和望远镜高度扫描箱体组成，所述望远镜高度扫描棱镜置于望远镜高度扫描箱体中部，所述望远镜高度扫描机构入射窗口和望远镜高度扫描机构出射窗口分别与望远镜高度扫描机构入射光轴和望远镜高度扫描机构出射光轴垂直；所述望远镜高度扫描机构入射光轴和望远镜高度扫描机构出射光轴与望远镜高度扫描棱镜反射面夹角均为45°，并通过其中心点；
所述相机高度扫描机构由相机高度扫描棱镜和相机高度扫描箱体组成，所述相机高度扫描棱镜置于相机高度扫描箱体中部，所述相机高度扫描机构入射窗口和相机高度扫描机构出射窗口分别与相机高度扫描机构入射光轴和相机高度扫描机构出射光轴垂直；所述相机高度扫描机构入射光轴和相机高度扫描机构出射光轴与相机高度扫描棱镜反射面夹角均为45°，并通过其中心点；
所述方位扫描机构由方位扫描棱镜，方位扫描箱体和相机组成，所述方位扫描棱镜和相机分别置于方位旋转箱体中；所述方位扫描机构望远镜入射窗口和方位扫描机构望远镜出射窗口分别与方位扫描机构望远镜入射光轴和方位扫描机构望远镜出射光轴垂直；所述方位扫描机构望远镜入射光轴和方位扫描机构望远镜出射光轴与方位扫描棱镜反射面夹角均为45°，并通过其中心点；所述方位扫描机构相机入射窗口与相机光轴垂直；
所述望远镜接收系统包括透射望远镜、电子学箱体和光纤，所述透射望远镜置于电子学箱体中，所述望远镜接收系统入射窗口与望远镜接收系统光轴垂直；所述光纤置于透射望远镜焦点位置处；
所述望远镜高度扫描机构出射窗口与方位扫描机构望远镜入射窗口同轴相连；望远镜高度扫描机构出射光轴与方位扫描机构望远镜入射光轴同轴，并且与望远镜高度扫描机构转动轴同轴；
所述相机高度扫描机构出射窗口与方位扫描机构相机入射窗口同轴相连；相机高度扫描机构出射光轴与相机光轴同轴，并且与相机高度扫描机构转动轴同轴；
所述望远镜高度扫描机构出射光轴与相机高度扫描机构出射光轴同轴；所述望远镜高度扫描机构转动轴与相机高度扫描机构转动轴同轴，且与高度转动轴同轴；所述望远镜高度扫描机构和相机高度扫描机构随方位扫描机构的转动而一起转动，并且它们还能相对于方位扫描机构进行绕高度转动轴进行同步扫描转动；
所述方位扫描机构安装在望远镜接收系统上方，方位扫描机构望远镜出射窗口与望远镜接收系统入射窗口同轴相连，方位扫描机构望远镜出射光轴与望远镜接收系统光轴同轴，并且与方位扫描机构转动轴同轴。
作为散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置的进一步改进：
优选地，望远镜高度扫描机构和相机高度扫描机构与方位扫描箱体之间及方位扫描箱体与电子学箱体之间同轴连接有密封装置；利于避免外界雨水等影响方位扫描箱体和电子学箱体内线路及传动。
优选地，方位扫描箱体与电子学箱体之间同轴连接有过线装置；利于实现方位扫描箱体内的电缆从仪器内部连接到电子学箱体内，避免外界环境影响电缆的寿命，有效降低用电安全事故发生的概率；同时，避免了内部走线对光路的干扰。
相对于现有技术的有益效果是：
1)本装置能用相机记录天气情况，并能用于目标反射光差分吸收光谱的应用。
2)本装置在实现方位转动扫描时，光纤不会有任何的移动，光强更为稳定，降低了由于光强不稳定对气溶胶等反演造成的影响。
3)本装置采用了密封装置，可应用雨天等恶劣环境下监测，并为其能实现野外无人监测提供了技术保障。
4)本装置实现了电缆内部走线，避免了外界环境对电缆寿命的影响，并有效降低因为电缆破坏引起的用电安全事故发生的概率。
附图说明
图1是本发明装置的结构组成及光路示意图。
其中：1-望远镜高度扫描机构、2-相机高度扫描机构、3-方位扫描机构、4-望远镜接收机构、5-望远镜高度扫描棱镜、6-望远镜高度扫描箱体、7-望远镜高度扫描机构入射窗口、8-望远镜高度扫描机构出射窗口、9-望远镜高度扫描机构入射光轴、10-望远镜高度扫描机构出射光轴、11-相机高度扫描棱镜、12-相机高度扫描箱体、13-相机高度扫描机构入射窗口、14-相机高度扫描机构出射窗口、15-相机高度扫描机构入射光轴、16-相机高度扫描机构出射光轴、17-方位扫描棱镜、18-方位扫描箱体、19-方位扫描机构望远镜入射窗口、20-方位扫描机构望远镜出射窗口、21-方位扫描机构望远镜入射光轴、22-方位扫描机构望远镜出射光轴、23-方位扫描机构相机入射窗口、24-相机光轴、25-相机、26-透射望远镜、27-电子学箱体、28-光纤、29-望远镜接收系统入射窗口、30-望远镜接收系统光轴、31-透射望远镜焦点位置、32-望远镜高度扫描机构转动轴、33-相机高度扫描机构转动轴、34-高度转动轴、35-方位扫描机构转动轴、36-密封装置、37-过线装置。
图2是本发明的密封装置工作原理图。
其中，361-相对转动箱体、362-转动轴、363-O型圈、364-轴承座、365-相对静止箱体、366-轴承。
图3是本发明的过线装置工作原理图。
其中，371-遮光筒、372-过线空间、373-转轴套、374出射光束。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本发明的一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置包括望远镜高度扫描机构1，相机高度扫描机构2，方位扫描机构3及望远镜接收机构4。其中，望远镜高度扫描机构1由望远镜高度扫描棱镜5和望远镜高度扫描箱体6组成；相机高度扫描机构2由相机高度扫描棱镜11和相机高度扫描箱体12组成；方位扫描机构3由方位扫描棱镜17和方位扫描箱体18组成；望远镜接收机构4包括透射望远镜26、电子学箱体27及光纤28。
所述望远镜高度扫描箱体6上端面和右端面的中部各开有圆孔，分别作为望远镜高度扫描机构入射窗口7和出射窗口8。望远镜扫描棱镜5安装在望远镜扫描箱体6的中部，其反射面与所述望远镜高度扫描箱体6的上端面和右端面的的夹角均为45°。望远镜扫描棱镜5的入光口和出光口与望远镜高度扫描机构入射窗口7和出射窗口8同心。望远镜高度扫描机构入射窗口7的中心与望远镜高度扫描棱镜5反射面中心的连线，构成望远镜高度扫描机构入射光轴9。望远镜高度扫描机构出射窗口8的中心与望远镜高度扫描棱镜5反射面中心的连线，构成望远镜高度扫描机构出射光轴10。出射光轴10与方位扫描机构望远镜入射光轴21同轴。
所述相机高度扫描箱体12上端面和左端面的中部各开有圆孔，分别作为相机高度扫描机构入射窗口13和出射窗口14。望远镜扫描棱镜11安装在相机扫描箱体12的中部，其反射面与所述相机高度扫描箱体12的上端面和右端面的的夹角均为45°。相机扫描棱镜11的入光口和出光口与相机高度扫描机构入射窗口13和出射窗口14同心。相机高度扫描机构入射窗口13的中心与相机高度扫描棱镜11反射面中心的连线，构成相机高度扫描机构入射光轴15。相机高度扫描机构出射窗口14的中心与相机高度扫描棱镜11反射面中心的连线，构成相机高度扫描机构出射光轴16。出射光轴16与相机光轴24同轴。
所述方位扫描箱体18左右两端面中部开有的圆孔，分别作为方位扫描机构望远镜入射窗口19和相机入射窗口23。方位扫描箱体18下端面开有圆孔，作为方位扫描机构望远镜出射窗口20。方位扫描棱镜17安装在方位扫描箱体18的中部，其反射面与方位扫描箱体18的左端面和下端面的夹角均为45°。方位扫描棱镜17的入光口和出光口与方位扫描机构望远镜入射窗口19和出射窗口20同心。方位扫描机构望远镜入射窗口19的中心与方位扫描棱镜17反射面中心的连线，构成方位扫描机构望远镜入射光轴21。方位扫描机构望远镜出射窗口20的中心与方位扫描棱镜17反射面中心的连线，构成方位扫描机构望远镜出射光轴22。出射光轴22与望远镜接收系统光轴同轴。相机25的通光口与方位扫描机构相机入射窗口23同心。方位扫描机构相机入射窗口23的中心与相机25的中心的连线，构成相机光轴24。
所述电子学箱体27的上端面中部开有圆孔，作为望远镜接收系统入射窗口29。透射望远镜26安装在电子学箱体27的中部，其通光口与望远镜接收系统入射窗口29同心。望远镜接收系统入射窗口29的中心与透射望远镜26的中心的连线，构成望远镜接收系统光轴30。望远镜接收系统光轴30与方位扫描机构出射光轴22同轴。光纤28置于透射望远镜26的焦点31中心位置。
所述望远镜高度扫描机构出射窗口8与方位扫描机构望远镜入射窗口18相连；望远镜高度扫描机构出射光轴10与方位扫描机构望远镜入射光轴21同轴，并且与望远镜高度扫描机构转动轴32同轴；
所述相机高度扫描机构出射窗口14与方位扫描机构相机入射窗口23相连；相机高度扫描机构出射光轴16与相机光轴24同轴，并且与相机高度扫描机构转动轴33同轴。
所述望远镜高度扫描机构出射光轴10与相机高度扫描机构出射光轴16同轴；望远镜高度扫描机构转动轴32与相机高度扫描机构转动轴33同轴，且与高度转动轴34同轴；望远镜扫描机构1和相机高度扫描机构2随方位扫描机构3的转动而一起转动，并且它们还能相对于方位扫描机构3进行绕高度转动轴34进行同步扫描转动。
所述方位扫描机构3安装在望远镜接收机构4上方，其出射窗口20与望远镜接收系统入射窗口29相连，出射光轴22与望远镜接收系统光轴30同轴，并且与方位扫描机构转动轴35同轴。
所述望远镜高度扫描机构1和相机高度扫描机构2与方位扫描箱体18之间连接有密封装置36。方位扫描箱体18与电子学箱体27之间连接有密封装置36和过线装置37。
所述望远镜高度扫描机构1与相机高度扫描机构2分别绕望远镜高度扫描机构转动轴32和相机高度扫描机构转动轴33进行同步高度扫描转动，扫描范围为-90°-+180°，扫描精度优于0.05°。望远镜高度扫描机构转动轴32和相机高度扫描机构转动轴33均与高度转动轴34同轴，并与方位扫描机构望远镜入射光轴21同轴。
所述方位扫描机构3绕方位扫描机构转动轴35进行转动扫描，扫描范围为-90°-+90°，扫描精度优于0.05°。方位扫描机构转动轴35与方位扫描机构望远镜出射光轴22及望远镜接收系统光轴30同轴。
参见图2，本发明的一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置的密封装置36由O型圈363、轴承座364及轴承366组成，所述相对转动箱体361经轴承366与轴承座364实现同轴动配合连接并绕转动轴362作旋转运动，轴承座364经O型圈363与相对静止箱体365同轴静配合连接。
参见图3，本发明的一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置的过线装置37由遮光筒371及转轴套373组成，所述遮光筒371与转轴套373同轴静配合连接，并与方位转动轴35同轴；遮光筒371内圆直径大于方位旋转机构3出射光束374的直径，其外圆直径小于转轴套373的内圆直径；转轴套373内圆与遮光筒371外圆所构成的空间即为过线空间372。
本发明装置的工作过程如下：
本发明的一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置使用时，其望远镜扫描机构1的功能是实现透射望远镜26高度扫描，相机高度扫描机构2的功能是实现相机25高度扫描，方位扫描机构3的功能是实现透射望远镜26和相机25实现方位扫描，望远镜接收系统的功能是实现光束的聚焦，密封装置36的功能是防雨、防尘等，便于实现雨天等恶劣环境下探测，过线装置37的功能是实现内部走线并不影响光路。
散射光束通过望远镜高度扫描机构入射窗口7进入望远镜高度扫描机构1中，并从望远镜高度扫描机构出射窗口8出射。其中，在望远镜高度扫描机构1中传输的散射光束被望远镜扫描棱镜5进行90°反射，望远镜扫描棱镜5反射前的散射光束与望远镜高度扫描机构入射光轴9同轴，望远镜扫描棱镜5反射后的散射光束与望远镜高度扫描棱机构出射光轴10同轴。从望远镜高度扫描机构出射窗口8出射的散射光束，通过方位旋扫描机构望远镜入射窗口19进入方位扫描机构3中，并从方位扫描机构出射窗口20出射。其中，在方位扫描机构3中的散射光束被方位扫描棱镜17进行90°反射，方位扫描棱镜17反射前的散射光束与方位扫描机构望远镜入射光轴21同轴，方位扫描棱镜17反射后的散射光束与方位扫描机构望远镜出射光轴22同轴。从方位扫描机构望远镜出射窗口20出射的散射光束，通过望远镜接收系统入射窗口29进入望远镜接收机构4中，并聚焦于透射望远镜26的焦点位置31处的光纤28中。透射望远镜26聚焦前的散射光束与望远镜接收系统光轴30同轴。
同时，散射光束也通过相机高度扫描机构入射窗口13进入相机高度扫描机构2中，并从相机高度扫描机构出射窗口14出射。其中，在相机高度扫描机构2中传输的散射光束被相机扫描棱镜11进行90°反射，相机扫描棱镜11反射前的散射光束与相机高度扫描机构入射光轴15同轴，相机扫描棱镜11反射后的散射光束与相机高度扫描棱机构出射光轴16同轴。从相机高度扫描机构出射窗口16出射的散射光束，通过方位扫描机构相机入射窗口23进入相机25中。进入相机25前的散射光束与相机光轴24同轴。
望远镜高度扫描机构1绕高度转动轴34进行-90°-+180°范围转动，方位扫描机构3绕方位转动轴35进行-90°-+90°范围转动，进而能进行对流层痕量气体三维空间分布的扫描探测。同时，相机高度扫描机构2在随方位扫描机构3绕方位转动轴35进行-90°-+90°范围转动的同时，它也绕高度转动轴34进行-90°-+180°范围转动，进而可以记录天气并可用于目标反射光差分吸收光谱的应用。透射望远镜26和光纤28没有任何的移动，故而保证了光强的稳定性。相对转动箱体361与轴承座364采用迷宫式密封，进而避免了雨水等对方位扫描箱体18和电子学箱体27内线路和传动的干扰。遮光筒371和转轴套373实现了线路在仪器内部走线，避免了外界环境对线缆寿命的影响，同时避免了线路对光路的干扰。由此可知，散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置可实现对流层痕量气体的三维扫描测量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的太阳辐射计多轴扫描装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明型的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置，其特征在于：包括望远镜高度扫描机构(1)，相机高度扫描机构(2)，方位扫描机构(3)及望远镜接收机构(4)，其中，
所述望远镜高度扫描机构(1)由望远镜高度扫描棱镜(5)和望远镜高度扫描箱体(6)组成，所述望远镜高度扫描棱镜(5)置于望远镜高度扫描箱体(6)中部，所述望远镜高度扫描机构入射窗口(7)和望远镜高度扫描机构出射窗口(8)分别与望远镜高度扫描机构入射光轴(9)和望远镜高度扫描机构出射光轴(10)垂直；所述望远镜高度扫描机构入射光轴(9)和望远镜高度扫描机构出射光轴(10)与望远镜高度扫描棱镜(5)反射面夹角均为45°，并通过其中心点；
所述相机高度扫描机构(2)由相机高度扫描棱镜(11)和相机高度扫描箱体(12)组成，所述相机高度扫描棱镜(11)置于相机高度扫描箱体(12)中部，所述相机高度扫描机构入射窗口(13)和相机高度扫描机构出射窗口(14)分别与相机高度扫描机构入射光轴(15)和相机高度扫描机构出射光轴(16)垂直；所述相机高度扫描机构入射光轴(15)和相机高度扫描机构出射光轴(16)与相机高度扫描棱镜(11)反射面夹角均为45°，并通过其中心点；
所述方位扫描机构(3)由方位扫描棱镜(17)，方位扫描箱体(18)和相机(25)组成，所述方位扫描棱镜(17)和相机(25)分别置于方位旋转箱体(18)中；所述方位扫描机构望远镜入射窗口(19)和方位扫描机构望远镜出射窗口(20)分别与方位扫描机构望远镜入射光轴(21)和方位扫描机构望远镜出射光轴(22)垂直；所述方位扫描机构望远镜入射光轴(21)和方位扫描机构望远镜出射光轴(22)与方位扫描棱镜(17)反射面夹角均为45°，并通过其中心点；所述方位扫描机构相机入射窗口(23)与相机光轴(24)垂直；
所述望远镜接收机构(4)包括透射望远镜(26)、电子学箱体(27)和光纤(28)，所述透射望远镜(26)置于电子学箱体(27)中，所述望远镜接收系统入射窗口(29)与望远镜接收系统光轴(30)垂直；所述光纤(28)置于透射望远镜焦点位置(31)处；
所述望远镜高度扫描机构出射窗口(8)与方位扫描机构望远镜入射窗口(19)同轴相连；望远镜高度扫描机构出射光轴(10)与方位扫描机构望远镜入射光轴(21)同轴，并且与望远镜高度扫描机构转动轴(32)同轴；
所述相机高度扫描机构出射窗口(14)与方位扫描机构相机入射窗口(23)同轴相连；相机高度扫描机构出射光轴(16)与相机光轴(24)同轴，并且与相机高度扫描机构转动轴(33)同轴；
所述望远镜高度扫描机构出射光轴(10)与相机高度扫描机构出射光轴(16)同轴；所述望远镜高度扫描机构转动轴(32)与相机高度扫描机构转动轴(33)同轴，且与高度转动轴(34)同轴；所述望远镜高度扫描机构(1)和相机高度扫描机构(2)随方位扫描机构(3)的转动而一起转动，并且它们还能相对于方位扫描机构(3)进行绕高度转动轴(34)进行同步扫描转动；
所述方位扫描机构(3)安装在望远镜接收系统(4)上方，方位扫描机构望远镜出射窗口(20)与望远镜接收系统入射窗口(29)同轴相连，方位扫描机构望远镜出射光轴(22)与望远镜接收系统光轴(30)同轴，并且与方位扫描机构转动轴(35)同轴。
2.根据权利要求1所述的散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置，其特征在于，望远镜高度扫描机构(1)和相机高度扫描机构(2)与方位扫描箱体(18)之间同轴连接有密封装置(36)。
3.根据权利要求1所述的散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置，其特征在于，方位扫描箱体(18)与电子学箱体(27)之间同轴连接有密封装置(36)和过线装置(37)。
4.根据权利要求1所述的散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置，其特征在于，望远镜高度扫描机构(1)与相机高度扫描机构(2)绕高度转动轴(34)进行转动扫描，扫描范围为-90°-+180°。
5.根据权利要求1所述的散射光被动差分吸收光谱多轴扫描装置，其特征在于，方位扫描机构(3)绕方位扫描机构转动轴(35)进行转动扫描，扫描范围为-90°-+90°。
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