CN110687054A - 一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开机动车尾气检测领域,更具体的公开一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法,其通过第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜、第四准直透镜和第五准直透镜的非球面准直透镜来分别对不同波长的第一激光光源、第二激光光源、第三激光光源、第四激光光源和第五激光光源实现等距离下的小光斑聚焦,同时对小光斑形状进一步优化,并且通过离轴抛物面镜采用材质为铝,表面镀有金属反射膜的90度离轴的抛物面准直镜,根据抛物面反射的原理实现光束准直,可以实现多个波长,宽范围的无色散的激光光路准直,适用于多波长的混合光束、利用长焦距,大尺寸的抛物面镜实现激光光束的光斑放大作用,可实现远距离尾气气体浓度测量。
Description
技术领域
本发明公开机动车尾气检测领域,更具体的公开一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法。
背景技术
机动车尾气污染已经成为当下城市空气污染的重要来源。自2012年以来,尤其是柴油尾气被卫生组织确认为致癌物质范畴。如何有效的检测尾气排放污染物浓度,快速的筛选高污染排放车辆已经成为控制尾气排放的必要手段。《中华人民共和国大气污染防治法》明确规定自2016年1月1起,可以在不影响交通的情况下对路上行驶的机动车实施尾气遥感检测。自2017年3月,环保部编写的《汽车污染物排放限值及测量方法》的初版,对机动车尾气排放控制越发严格,尾气遥测作为不影响交通的情况下可以对机动车尾气各组分污染物进行快速检测,它的高灵敏高精度高时效性成为目前尾气检测行之有效的手段之一。
目前尾气遥测技术路线中,激光光谱技术作为当下尾气检测领域最先进的技术手段,它的高灵敏高精度高时效性非常适合尾气遥测。激光作为窄带光源,要实现多组分尾气排放污染物的测量,需要多个激光光源经过光学元件的耦合,使得多个不同波长激光合束成一束混合光束,穿过汽车尾气烟团完成多组分排放污染物浓度测量,由于现有的激光源器件的技术所限,激光合束的效果都各有优劣,目前已有的激光光束合束方法有两种:一种是小光斑合束,将多个不同波长的窄带激光光源利用短焦距的非球面透镜准直成小光斑的光束,然后光学的方法合成一束混合激光光束,接收系统通过探测小光斑光束用于尾气排放物组分测量,缺点是由于激光光斑小,覆盖道路面积小,系统的稳定性和尾气烟团的捕获率低;一种是将多个不同波长的窄带激光光源小光斑合束,通过特殊材质的漫反射板,将光束漫反射返回,接收系统透过探测漫反射光来进行尾气测量,缺点是接收到的漫反射光功率低,只能在有限的短光程下测量,限制了系统的使用场合。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种实现远距离测量和尾气烟团的高捕获率以及可实现不同波长的小光斑的同步准直放大的用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案是:
一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法,包括以下步骤:
步骤(1)聚焦小光斑光束:将发射波长为2004nm的第一激光光源经过第一准直透镜形成第一聚焦小光斑光束、发射波长为2327nm的第二激光光源经过第二准直透镜形成第二聚焦小光斑光束、发射波长为3370nm的第三激光光源经过第三准直透镜形成第三聚焦小光斑光束、发射波长为5262nm的第四激光光源经过第四准直透镜形成第四聚焦小光斑光束和发射波长为560nm的第五激光光源经过第五准直透镜形成第五聚焦小光斑光束;
步骤(2)多路小光斑合束光束:将步骤(1)中的第一聚焦小光斑光束和第四聚焦小光斑光束各自通过一路反射,一路透射的方式,在第一耦合镜上实现合束,得到第一路小光斑合束光束,并且第二聚焦小光斑光束和第三聚焦小光斑光束各自通过一路反射,一路透射的方式,在第二耦合镜上实现合束,得到第二路小光斑合束光束,然后第二路小光斑合束光束和第五聚焦小光斑光束各自通过一路反射,一路透射的方式,在第三耦合镜上实现合束,得到第三路小光斑合束光束,最后第三路小光斑合束光束和第一路小光斑合束光束各自通过一路反射,一路透射的方式,在第四耦合镜上实现合束,并在位置1处聚焦成点状光斑W0,随后在自由空间按高斯光束自由传播,得到第四路小光斑合束光束;
步骤(3)改变小光斑合束光束的方向:将步骤(2)中得到的第四路小光斑合束光束经反射镜进行反射,改变了第四路小光斑合束光束的方向,得到第五路小光斑合束光束;
步骤(4)小光斑合束进行准直放大:将步骤(3)中得到第五路小光斑合束光束经离轴抛物面镜,实现第五路小光斑合束光束的准直和放大,得到大光斑合束光束,最后大光斑合束光束以平行光出射。
优选地,所述步骤(1)中第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜和第四准直透镜均采用硒化锌(ZnSe)材质的非球面透镜,且第五准直透镜采用石英玻璃材质的非球面透镜,同时所述第一准直透镜、所述第二准直透镜、所述第三准直透镜、所述第四准直透镜和所述第五准直透镜均镀有对应波长的增透介质膜(AR膜),实现对应激光光束的聚焦。
优选地,所述步骤(2)中第一耦合镜、第二耦合镜、第三耦合镜和第四耦合镜均采用材质为蓝宝石的镀膜平面镜,镀有对应波长的AR介质膜或HR介质膜,耦合镜的厚度为0.5mm~1mm之间,该第一耦合镜、第二耦合镜、第三耦合镜和第四耦合镜的选择在考虑机械硬度的前提下,尽可能使用薄的平面镜片,其目的是减少光功率的损耗。
优选地,所述步骤(3)中反射镜采用采用材质为硅,表面镀金的平面镜,该反射镜用于合束光束的方向改变,在实际使用过程中,可根据实际光路选择使用或不使用。
优选地,所述步骤(4)中离轴抛物面镜采用材质为铝,表面镀有金属反射膜的90度离轴的抛物面准直镜,该离轴抛物面镜利用抛物面反射的原理实现光束准直,可以实现多个波长,宽范围的无色散的激光光路准直,适用于多波长的混合光束、利用长焦距,大尺寸的抛物面镜实现激光光束的光斑放大作用。
优选地,所述步骤(1)中发射波长为2004nm的第一激光光源可以测量汽车尾气的二氧化碳气体(CO2)、发射波长为2327nm的第二激光光源可以测量汽车尾气的一氧化碳气体(CO)、发射波长为3370nm的第三激光光源可以测量汽车尾气的碳氢化合物(C3H8)、发射波长为5262nm的第四激光光源可以测量汽车尾气的氮氧化物(NO)和发射波长为560nm的第五激光光源可以测量汽车尾气的颗粒物不透光度。
较现有技术,本发明有益技术效果主要体现在:
1、本发明通过第一准直透镜、所述第二准直透镜、所述第三准直透镜、所述第四准直透镜和所述第五准直透镜的非球面准直透镜来分别对不同波长的第一激光光源、第二激光光源、第三激光光源、第四激光光源和第五激光光源实现等距离下的小光斑聚焦,同时也可实现对小光斑形状进一步优化。
2、本发明通过离轴抛物面镜采用材质为铝,表面镀有金属反射膜的90度离轴的抛物面准直镜,根据抛物面反射的原理实现光束准直,可以实现多个波长,宽范围的无色散的激光光路准直,适用于多波长的混合光束、利用长焦距,大尺寸的抛物面镜实现激光光束的光斑放大作用,可实现远距离尾气气体浓度测量和尾气烟团的高捕获率。
3、本发明通过离轴抛物面镜采用材质为铝,表面镀有金属反射膜的90度离轴的抛物面准直镜不会对不同波长的激光准直产生色散效果,可实现不同波长的小光斑的同步准直放大。
附图说明
图1:本发明原理图。
其中:101-第一激光光源;102-第二激光光源;103-第三激光光源;104-第四激光光源;105-第五激光光源;201-第一准直透镜;202-第二准直透镜;203-第三准直透镜;204-第四准直透镜;205-第五准直透镜;301-第一聚焦小光斑光束;302-第二聚焦小光斑光束;303-第三聚焦小光斑光束;304-第四聚焦小光斑光束;305-第五聚焦小光斑光束;401-第一耦合镜;402-第二耦合镜;403-第三耦合镜;404-第四耦合镜;501-第一路小光斑合束光束;502-第二路小光斑合束光束;503-第三路小光斑合束光束;504-第四路小光斑合束光束;505-第五路小光斑合束光束;600-反射镜;700-离轴抛物面镜;800-大光斑合束光束。
具体实施方式
以下结合附图,对本发明的具体实施方式作进一步详述,以使本发明技术方案更易于理解和掌握。
如图1所示,一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法,包括以下步骤:
步骤(1)聚焦小光斑光束:将发射波长为2004nm的第一激光光源101经过第一准直透镜201形成第一聚焦小光斑光束301、发射波长为2327nm的第二激光光源102经过第二准直透镜202形成第二聚焦小光斑光束302、发射波长为3370nm的第三激光光源103经过第三准直透镜203形成第三聚焦小光斑光束303、发射波长为5262nm的第四激光光源104经过第四准直透镜204形成第四聚焦小光斑光束304和发射波长为560nm的第五激光光源105经过第五准直透镜205形成第五聚焦小光斑光束305;
步骤(2)多路小光斑合束光束:将步骤(1)中的第一聚焦小光斑光束301和第四聚焦小光斑光束304各自通过一路反射,一路透射的方式,在第一耦合镜401上实现合束,得到第一路小光斑合束光束501,并且第二聚焦小光斑光束302和第三聚焦小光斑光束303各自通过一路反射,一路透射的方式,在第二耦合镜402上实现合束,得到第二路小光斑合束光束502,然后第二路小光斑合束光束502和第五聚焦小光斑光束305各自通过一路反射,一路透射的方式,在第三耦合镜403上实现合束,得到第三路小光斑合束光束503,最后第三路小光斑合束光束503和第一路小光斑合束光束501各自通过一路反射,一路透射的方式,在第四耦合镜404上实现合束,并在位置1处聚焦成点状光斑W0,随后在自由空间按高斯光束自由传播,得到第四路小光斑合束光束504;
步骤(3)改变小光斑合束光束的方向:将步骤(2)中得到的第四路小光斑合束光束504经反射镜600进行反射,改变了第四路小光斑合束光束504的方向,得到第五路小光斑合束光束505;
步骤(4)小光斑合束进行准直放大:将步骤(3)中得到第五路小光斑合束光束505经离轴抛物面镜700,实现第五路小光斑合束光束505的准直和放大,得到大光斑合束光束800,最后大光斑合束光束800以平行光出射。
所述步骤(1)中第一准直透镜201、第二准直透镜202、第三准直透镜203和第四准直透镜204均采用硒化锌(ZnSe)材质的非球面透镜,且第五准直透镜205采用石英玻璃材质的非球面透镜,同时所述第一准直透镜201、所述第二准直透镜202、所述第三准直透镜203、所述第四准直透镜204和所述第五准直透镜205均镀有对应波长的增透介质膜(AR膜),实现对应激光光束的聚焦。
所述步骤(2)中第一耦合镜401、第二耦合镜402、第三耦合镜403和第四耦合镜404均采用材质为蓝宝石的镀膜平面镜,镀有对应波长的AR介质膜或HR介质膜,耦合镜的厚度为0.5mm~1mm之间。
所述步骤(3)中反射镜600采用材质为硅,表面镀金的平面镜。
所述步骤(4)中离轴抛物面镜700采用材质为铝,表面镀有金属反射膜的90度离轴的抛物面准直镜。
所述步骤(1)中发射波长为2004nm的第一激光光源101可以测量汽车尾气的二氧化碳气体(CO2)、发射波长为2327nm的第二激光光源102可以测量汽车尾气的一氧化碳气体(CO)、发射波长为3370nm的第三激光光源103可以测量汽车尾气的碳氢化合物(C3H8)、发射波长为5262nm的第四激光光源104可以测量汽车尾气的氮氧化物(NO)和发射波长为560nm的第五激光光源105可以测量汽车尾气的颗粒物不透光度。
上述中一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法的原理是第一激光光源、第二激光光源、第三激光光源、第四激光光源和第五激光光源的五路激光光束分别经过第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜、第四准直透镜和第五准直透镜进行聚焦,然后再经第一耦合镜、第二耦合镜第三耦合镜和第四耦合镜在位置1处实现光束的合束,其利用第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜、第四准直透镜和第五准直透镜分别对第一激光光源、第二激光光源、第三激光光源、第四激光光源和第五激光光源的聚焦作用,形成小光斑聚焦,从而一方面对小光斑具有整形作用,使得小光斑形状在自由空间传播时更规则,另一方面实现小光斑在自由空间传播时的放大作用,实现扩束效果,最后一般认为激光为高斯光束,符合高斯光束的传输特性,高斯光束在其横截面内的场振幅分布是按高斯函数所描述的规律从中心向外平滑的降落,当振幅降落为中心值的的点定义为光斑的半径。
在自由空传播时,光斑半径大小满足:
其中z为传播距离,λ为激光的波长,w0为激光腰斑的半径大小即光斑最小时的光斑大小。
根据激光光束在自由空间传播光斑发散大小的理论和选择需要放大光斑的大小来选定合适焦距和尺寸大小的离轴抛物面镜,实现光斑的放大和准直。
由于激光光斑的发散与激光的波长和腰斑大小有关,实例中由于五路激光波长的差异,在光斑发散过程中,不同波长的激光光束的光斑的发散大小会有所不同,但是根据本发明的应用场景,不会影响到实际使用。
当然,以上仅是本发明的具体应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案,均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤(1)聚焦小光斑光束:将发射波长为2004nm的第一激光光源经过第一准直透镜形成第一聚焦小光斑光束、发射波长为2327nm的第二激光光源经过第二准直透镜形成第二聚焦小光斑光束、发射波长为3370nm的第三激光光源经过第三准直透镜形成第三聚焦小光斑光束、发射波长为5262nm的第四激光光源经过第四准直透镜形成第四聚焦小光斑光束和发射波长为560nm的第五激光光源经过第五准直透镜形成第五聚焦小光斑光束。
步骤(2)多路小光斑合束光束:将步骤(1)中的第一聚焦小光斑光束和第四聚焦小光斑光束各自通过一路反射,一路透射的方式,在第一耦合镜上实现合束,得到第一路小光斑合束光束,并且第二聚焦小光斑光束和第三聚焦小光斑光束各自通过一路反射,一路透射的方式,在第二耦合镜上实现合束,得到第二路小光斑合束光束,然后第二路小光斑合束光束和第五聚焦小光斑光束各自通过一路反射,一路透射的方式,在第三耦合镜上实现合束,得到第三路小光斑合束光束,最后第三路小光斑合束光束和第一路小光斑合束光束各自通过一路反射,一路透射的方式,在第四耦合镜上实现合束,并在位置1处聚焦成点状光斑W0,随后在自由空间按高斯光束自由传播,得到第四路小光斑合束光束。
步骤(3)改变小光斑合束光束的方向:将步骤(2)中得到的第四路小光斑合束光束经反射镜进行反射,改变了第四路小光斑合束光束的方向,得到第五路小光斑合束光束。
步骤(4)小光斑合束进行准直放大:将步骤(3)中得到第五路小光斑合束光束经离轴抛物面镜,实现第五路小光斑合束光束的准直和放大,得到大光斑合束光束,最后大光斑合束光束以平行光出射。
2.根据权利要求1所述一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法,其特征在于,所述步骤(1)中第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜和第四准直透镜均采用硒化锌(ZnSe)材质的非球面透镜,且第五准直透镜采用石英玻璃材质的非球面透镜,同时所述第一准直透镜、所述第二准直透镜、所述第三准直透镜、所述第四准直透镜和所述第五准直透镜均镀有对应波长的增透介质膜(AR膜),实现对应激光光束的聚焦。
3.根据权利要求1所述一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法,其特征在于,所述步骤(2)中第一耦合镜、第二耦合镜、第三耦合镜和第四耦合镜均采用材质为蓝宝石的镀膜平面镜,镀有对应波长的AR介质膜或HR介质膜,耦合镜的厚度为0.5mm~1mm之间。
4.根据权利要求1所述一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法,其特征在于,所述步骤(3)中反射镜采用材质为硅,表面镀金的平面镜。
5.根据权利要求1所述一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法,其特征在于,所述步骤(4)中离轴抛物面镜采用材质为铝,表面镀有金属反射膜的90度离轴的抛物面准直镜。
6.根据权利要求1所述一种用于机动车尾气遥测的大光斑合束光束方法,其特征在于,所述步骤(1)中发射波长为2004nm的第一激光光源可以测量汽车尾气的二氧化碳气体(CO2)、发射波长为2327nm的第二激光光源可以测量汽车尾气的一氧化碳气体(CO)、发射波长为3370nm的第三激光光源可以测量汽车尾气的碳氢化合物(C3H8)、发射波长为5262nm的第四激光光源可以测量汽车尾气的氮氧化物(NO)和发射波长为560nm的第五激光光源可以测量汽车尾气的颗粒物不透光度。
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