CN110208776B - 窄带滤波器的光谱测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种窄带滤波器光谱测量系统装置，包括激光器，分束器，波长计，第一隔离器，放大器，第二隔离器，倍频晶体,准直镜，光阑，滤光片，分光镜，第一聚焦镜，第一探测器，位置控制系统，温度控制系统，窄带滤波器，第二聚焦镜，第二探测器，信号采集处理系统，信号发生器。本发明能够测量窄带滤波器在所需中心波长的最大透过率和透射光谱宽度，便于在高光谱分辨率激光雷达中安装窄带滤波器或者装校时，通过测量窄带滤波器在中心波长处的透过率，判断窄带滤波器的安装角度是否正确，中心波长是否位于所需波长。

Description

窄带滤波器的光谱测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于大气激光雷达领域，尤其涉及到在高光谱分辨率激光雷达中，

要求实现窄带滤波器透射谱线的测量和定标。

背景技术

气溶胶探测近年来已成为大气环境监测中至关重要的部分。高光谱分辨率激光雷达是探测气溶胶的有效工具，但是高光谱分辨率激光雷达接收远距离有效信号回波较弱，白天工作时需要减少背景噪声。窄带滤波器能够有效减少背景噪声，常常配合干涉滤光片一起工作，进一步滤除背景光信号，因此在高光谱分辨率激光雷达上应用广泛。窄带滤波器的安装角度极大地影响了回波信号的强度。为了检测窄带滤波器安装是否正确，需要设计一套窄带滤波器高精度光谱测量系统装置，在实验室测量所需波长为中心波长时窄带滤波器的最大透过率，并对透射光谱进行定标，为高光谱分辨率激光雷达的窄带滤波器滤波器精确装校提供判断依据。

发明内容

本发明目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种窄带滤波器的光谱测量装置，可以在对窄带滤波器光谱透过率曲线进行快速和高精度测量，获得窄带滤波器在所需波长处的最大透过率，以此透过率为基准，将窄带滤波器装校在高光谱分辨率激光雷达中，当窄带滤波器在所需波长处具有相同透过率时，可以判断窄带滤波器装校正确，能够满足窄带滤波器接收要求。

本发明的基本原理是利用可调谐激光器和信号发生器组成可扫频的激光器，激光器的输出波长在所需波长附近扫描。将激光器基频激光倍频成倍频光，通过温度控制系统对窄带滤波器实现温度控制，利用位置调节器调节窄带滤波器的角度，实现窄带滤波器的中心波长等于所需波长，在所需波长处具有最大透过率，获得所需波长附近的光谱透过率曲线，对透射光谱进行定标。

本发明技术解决方案如下：

一方面，本发明公开了一种窄带滤波器光谱测量系统装置，包括激光器，分束器，波长计，第一隔离器，放大器，第二隔离器，倍频晶体,准直镜，光阑，滤光片，分光镜，第一聚焦镜，第一探测器，位置控制系统，温度控制系统，窄带滤波器，第二聚焦镜，第二探测器，信号采集处理系统，信号发生器。

上述元部件的位置关系如下：

所述的激光器与信号发射器相连，组成可扫频的激光器。所述的激光器发射的连续光经过分束器后分为两束，一束光进入波长计进行波长监测，另一束光进入第一隔离器。所述的第一隔离器的出射光经过放大器放大光束功率后，进入第二隔离器，然后经过倍频晶体将基频光倍频为倍频光，进入准直镜后输出准直光束。所述的准直光束经过光阑控制光斑大小后射入滤光片，射出的光经过分光镜分束后分成反射光和透射光两部分，所述的反射光进入第一聚焦镜后聚焦至第一探测器进行入射光功率监测，所述的透射光射入窄带滤波器。所述的位置控制系统控制窄带滤波器的位置与角度，使得窄带滤波器的中心波长位于高光谱分辨率激光雷达所需的波长处。所述的温度控制系统实现窄带滤波器的高精度温度控制。所述的窄带滤波器透射的光经过第二聚焦镜聚焦后进入第二探测器进行窄带滤波器透射光功率测量。所述的信号采集处理系统采集第一探测器和第二探测器的电信号，处理信号后获得窄带滤波器的光谱透过率曲线，计算峰值透过率和透射光谱宽度。

另一方面，本发明公开了一种窄带滤波器的光谱测量方法，包括步骤如下：

①固定激光器工作电流后，通过位置控制系统在扫描角度范围内扫描，当到达透过率函数最大值后停止位置控制系统。此时，位置控制系统调整窄带滤波器中心波长到所需波长处。

②利用温度控制系统实现窄带滤波器的高精度温度控制，使窄带滤波器的透过率不受外界环境温度的影响。

③通过信号发生器调制激光器的工作电流，改变激光器的输出波长，使其输出波长在所需的窄带滤波器中心波长附近扫频。

④通过结合信号发生器调制激光器的工作电流得到激光器输出扫频波长信息，以及第一探测器测量得到的窄带滤波器的入射光功率对应的电压和第二探测器测量得到的进窄带滤波器透射光功率对应的电压，最后计算窄带滤波器的光谱透过率曲线。

利用以下公式计算窄带滤波器的光谱透过率曲线：

其中，V_探测器2(λ).是探测器2在激光扫频时测量透过窄带滤波器的电压，V_探测器1(λ).是探测器1在激光扫频时测量监测入射光功率对应的电压。η_分光比是分光片的分光比.T(λ)是在激光扫频过程中的透过率函数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.能够快速而高精度的测量窄带滤波器透射谱线，获得特定工作波长时入射光相对干涉仪的最佳角度，为高光谱分辨率激光雷达系统窄带滤波器的精确装校提供重要依据，最终使得窄带滤波器工作在最大透过率。

2.温度控制系统实现窄带滤波器的高精度温度控制，使实验室内窄带滤波器的工作温度与在激光雷达上的工作温度相同，这样测得的窄带滤波器的透过率不受外界环境温度的影响，更加可靠。

附图说明

图1为本发明窄带滤波器的光谱测量装置结构框图。

图中：1—激光器，2—分束器，3—波长计，4—第一隔离器，5—放大器，6—第二隔离器，7—倍频晶体,8—准直镜，9—光阑，10—滤光片，11—分光镜，12—第一聚焦镜，13—第一探测器，14—位置控制系统，15—温度控制系统，16—窄带滤波器，17—第二聚焦镜，18—第二探测器，19—信号采集处理系统，20—信号发生器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。请参阅示意图，示意图是窄带滤波器光谱测量系统装置，包括激光器，分束器，波长计，第一隔离器，放大器，第二隔离器，倍频晶体,准直镜，光阑，滤光片，分光镜，第一聚焦镜，第一探测器，位置控制系统，温度控制系统，窄带滤波器，第二聚焦镜，第二探测器，信号采集处理系统，信号发生器。上述元部件的位置关系如下：

所述的激光器与信号发射器相连，组成可扫频的激光器。所述的激光器发射的光经过分束器后分为两束，一束光进入波长计进行波长监测，另一束光进入第一隔离器。所述的第一隔离器的出射光经过放大器放大光束功率后，进入第二隔离器，然后经过倍频晶体倍频成倍频光，进入准直镜后输出准直光束。所述的准直光束经过光阑控制光斑大小后射入滤光片，射出的光经过分光镜分束后分成反射光和透射光两部分，所述的反射光进入第一聚焦镜后聚焦至第一探测器进行入射光功率对应的电压监测，所述的透射光射入由窄带滤波器。所述的位置控制系统控制窄带滤波器的位置与角度，使得的窄带滤波器中心波长位于高光谱分辨率激光雷达所需的波长处。所述的温度控制系统实现窄带滤波器的高精度温度控制。所述的窄带滤波器透射的光经过第二聚焦镜聚焦后进入第二探测器进行窄带滤波器透射光功率对应的电压测量。所述的信号采集处理系统采集第一探测器和第二探测器的电信号，处理信号后获得窄带滤波器的光谱透过率曲线。

所述的窄带滤波器光谱测量系统装置进行光谱测量的方法，具体操作步骤如下：

①通过信号发生器调制可调谐激光器的工作电流，改变激光器的输出波长，使其输出波长在所需的窄带滤波器中心波长附近扫频。

②通过位置控制系统调整窄带滤波器角度到所需波长处。

③利用温度控制系统实现窄带滤波器的高精度温度控制，使窄带滤波器的透过率不受外界环境温度的影响。

④通过结合信号发生器调制激光器的工作电流得到激光器输出扫频波长信息，以及第一探测器测量得到的窄带滤波器的入射光功率对应的电压和第二探测器测量得到的窄带滤波器透射光功率对应的电压，计算窄带滤波器的光谱透过率曲线，对透射光谱进行定标。

所述的激光器为全光纤保偏单模分布式可调谐半导体激光器，可以通过信号发生器调节激光器的工作电流和工作温度，改变其输出波长在所需波长附近扫频。

所述的第一隔离器与第二隔离器可以防止放大器与倍频晶体的反射光打坏激光器与放大器。

所述的滤光片可以滤除未被倍频的剩余光，只让倍频光进入窄带滤波器。

本发明窄带滤波器光谱测量系统装置工作时,具体操作步骤如下：

1.连接信号发射器与激光器，通过设置信号发射器输出波形为三角波形，调节激光器的工作电流为三角波扫描变化，这样激光器的输出波长也为三角波变化，在所需中心波长附近进行线性扫描。

2.利用分束器，将激光器一部分输出光接入波长计。输出波长随时间的变化值由波长计记录下来，可以与后面窄带滤波器的透过信号进行同步的对应。

3.利用倍频晶体将基频光倍频成倍频光，经过准直镜后输出倍频光作空间准直光束。准直光束经过光阑控制光斑大小后射入滤光片，射出的光经过分光镜分束后分成反射光和透射光两部分，反射光进入第一探测器，透射光进入窄带滤波器后进入第二探测器。第一探测器能够记录入射窄带滤波器不同波长光的初始功率对应的电压，第二探测器能够记录窄带滤波器透射的不同波长光的透射功率对应的电压。

4.通过采集卡采集第一探测器与第二探测器的信号，结合波长计的同时刻测量波长信息，可以获得窄带滤波器不同波长的透光率，计算窄带滤波器的透过率曲线，得到窄带滤波器的中心波长。

5.调节位置控制系统，改变入射光相对窄带滤波器的角度，使得窄带滤波器的中心波长值为所需波长值，记录此时的中心波长透过率。此透过率为激光雷达上装校窄带滤波器滤波器提供重要数据：所需波长通过窄带滤波器的透过率为标定的透过率时即满足要求。

本发明根据高光谱分辨率激光雷达对窄带滤波器的中心波长需求，使用信号发生器和波长调谐激光器组成可扫频的光源，对加入温度控制系统后的窄带滤波器的中心波长和透过光谱进行精确测量，调节位置控制系统确保窄带滤波器的中心波长位于所需的波长处，得到窄带滤波器在所需波长处的最大透过率。经实验表明，本发明能够测量窄带滤波器在所需中心波长的最大透过率和透射光谱宽度，便于在高光谱分辨率激光雷达中安装窄带滤波器或者装校时，通过测量窄带滤波器在中心波长处的透过率，判断窄带滤波器的安装角度是否正确，中心波长是否位于所需波长。

Claims (4)

1.一种窄带滤波器的光谱测量装置，其特征在于，包括激光器(1)，分束器(2)，波长计(3)，第一隔离器(4)，放大器(5)，第二隔离器(6)，倍频晶体(7),准直镜(8)，光阑(9)，滤光片(10)，分光镜(11)，第一聚焦镜(12)，第一探测器(13)，位置控制系统(14)，温度控制系统(15)，窄带滤波器(16)，第二聚焦镜(17)，第二探测器(18)，信号采集处理系统(19)和信号发生器(20)；

所述的激光器(1)发射的连续光经过分束器(2)后分为两束，一束进入波长计(3)用于波长监测，另一束进入所述的第一隔离器(4)，经该第一隔离器(4)的出射光经过放大器(5)放大光束功率后，进入第二隔离器(6)，经该第二隔离器(6)的出射光经过倍频晶体(7)倍频成二倍频光，进入准直镜(8)后输出准直光束，该准直光束经过光阑(9)控制光斑大小后经滤光片(10)入射到所述的分光镜(11)，经该分光镜(11)分束为反射光束和透射光束，所述的反射光束经所述的第一聚焦镜(12)聚焦后，被所述的第一探测器(13)接收，用于反射光束的功率监测，所述的透射光束依次经所述的窄带滤波器(16)和第二聚焦镜(17)入射到第二探测器(18)进行透射光束的功率测量；

所述的窄带滤波器(16)分别与所述的位置控制系统(14)和温度控制系统(15)相连，所述的信号采集处理系统(19)分别与所述的第一探测器(13)和第二探测器(18)相连，所述的信号发生器(20)与激光器(1)相连；

所述的信号采集处理系统(19)采集第一探测器(13)和第二探测器(18)的电信号，并传输至计算机，通过计算机获得窄带滤波器(16)的光谱透过率曲线、峰值透过率和透射光谱宽度。

2.根据权利要求1所述的窄带滤波器的光谱测量装置，其特征在于，所述的位置控制系统(14)控制窄带滤波器(16)的位置与角度，使得的窄带滤波器(16)中心波长位于高光谱分辨率激光雷达所需的波长处。

3.根据权利要求1所述的窄带滤波器的光谱测量装置，其特征在于，所述的温度控制系统(15)控制窄带滤波器(16)的温度。

4.利用权利要求1-3任一所述的窄带滤波器的光谱测量装置进行光谱测量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①通过信号发生器(20)调制激光器(1)的工作电流，改变激光器(1)的输出波长λ，使其输出波长在所需的窄带滤波器(16)中心波长附近扫频；

②通过位置控制系统(14)调整窄带滤波器(16)的位置与角度，使得的窄带滤波器(16)透射中心波长到所需波长处；

③利用温度控制系统(15)实现窄带滤波器(16)的温度控制，使窄带滤波器(16)的透过率不受外界环境温度的影响；

④通过结合信号发生器(20)调制激光器(1)的工作电流得到激光器(1)输出扫频波长信息，以及第一探测器(13)测量得到的监测入射光功率对应的响应电压V_探测器1(λ)和第二探测器(18)测量得到的窄带滤波器(16)透射光功率对应的响应电压V_探测器2(λ)；

⑤计算激光扫频过程中窄带滤波器(16)的光谱透过率T(λ)，公式如下：

其中，η_分光比是分光镜(11)的分光比。

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