CN113029949A - 介质衰减系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质衰减系数测量装置，其中：斩波器对探测光束进行频率调制，调制后的探测光束经过介质后入射光接收机构；所述光接收机构包括光匀化片和光电探测器，光匀化片对探测光束匀化，投射至光电探测器的接收面上，光电探测器光电转换后输出光电流信号；所述接收侧放大器将光电流信号转换为电压信号，带通滤波器对电压信号进行滤波后获得正弦信号，模拟数字转换器对正弦信号采样并向运算单元输出数字信号，运算单元计算介质的衰减系数。采用上述技术方案，投射在探测器接收面上的光束分布基本不变，能够较为准确地测量所述衰减系数；采用带通滤波器频率跟踪措施，保证带通滤波器的中心频率与调制频率一致。

Description

介质衰减系数测量装置

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种介质衰减系数测量装置。

背景技术

辐射衰减在光度测量、光谱分析、激光通信、图象传输和能见度测量技术中产生着重要影响。光辐射的衰减一直受到人们的关注，建立了著名Lambert-Beer定律和Allard定律，为辐射衰减系数的测量提供了理论依据。随着现代工程技术的发展，特别是现代大气海洋探测技术、航空交通运输业的发展，需要对辐射衰减系数进行实时监测，并且愈来愈显重要，如大气能见度和海水透过率的测量本质上都是介质辐射衰减系数测量。

现有技术中的测量方法是以一束平行光入射到待测的介质中，用探测器接收透过此介质的光强度，同时测得初始入射光强度、光辐射在介质中传输的距离，依据Lambert-Beer定律可计算得出该介质的衰减系数。此法的测量误差主要决定于初始光强度和透射光强度的测量。但由于光束的发射光源与探测器间隔较远，因介质非均匀起伏扰动或测量装置的振动、基点变化等原因致使投射在光电探测器接收面上的光漂移，使得探测光束在传播路径上的衰减系数测量不准，甚至测量无法进行，另一方面为了抑制环境光变化对测量的影响，常常采用对入射探测光束的调制和对接收光束的光电信号滤波解调措施，但由于环境温度的变化，带通滤波器的中心频率发生漂移，导致中心频率与入射光束调制频率不一致，使得带通滤波器对应调制频率处的频响系数即增益变化，引起测量的不确定。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种介质衰减系数测量装置，解决技术问题(1)因介质非均匀起伏扰动或测量装置的振动、基点变化等原因致使投射在光电探测器接收面上的光束出现光漂移，使得探测光束在传播路径上的衰减系数测量不准；进一步解决技术问题(2)带通滤波器的中心频率发生漂移，导致中心频率与入射光束调制频率不一致，使得带通滤波器对应调制频率处的频响系数即增益变化，引起测量的不确定。

技术方案：本发明提供一种介质衰减系数测量装置，包括：发射光源、斩波器、光接收机构、接收侧放大器、带通滤波器、模拟数字转换器和运算单元，其中：

所述发射光源用于发射探测光束，所述斩波器对探测光束进行频率调制，调制后的探测光束经过介质后入射光接收机构；

所述光接收机构包括光匀化片和光电探测器，光匀化片对探测光束匀化，投射至光电探测器的接收面上，光电探测器光电转换后输出光电流信号；

所述接收侧放大器将光电流信号转换为电压信号，带通滤波器对电压信号进行滤波后获得正弦信号，模拟数字转换器对正弦信号采样并向运算单元输出数字信号，运算单元计算介质的衰减系数。

具体的，所述光接收机构还包括：玻璃平片和会聚透镜，其中：

所述玻璃平片设置于所述光接收机构的最前端，用于密封光接收机构；所述会聚透镜设置于玻璃平片和光匀化片之间。

具体的，所述探测光束经过玻璃平片之后，会聚透镜将探测光束会聚于光匀化片的中央区域；会聚透镜、光匀化片和光电探测器之间的距离设置，使得探测光束覆盖光电探测器的接收面。

具体的，还包括：准直器、伺服电机、电机驱动器、光电耦合器、发射侧放大器和波形整形电路，其中：所述准直器设置于发射光源和斩波器之间；

所述斩波器在伺服电机的驱动下旋转，光电耦合器检测斩波器的转速，并输出调制频率信号至发射侧放大器，调制频率信号经波形整形电路后得到脉冲信号，电机驱动器根据脉冲信号的频率控制伺服电机，进而控制斩波器对探测光束的频率调制。

具体的，还包括：频率变换芯片电路，接收波形整形电路输出的脉冲信号后向带通滤波器的外部时钟输出调制频率，外部时钟控制带通滤波器频率进行频率追踪，使得带通滤波器通频带的中心频率与探测光束的调制频率一致。

具体的，还包括：驱动电源，用于驱动发射光源，驱动电流为脉冲序列，带通滤波器的外部时钟通过驱动电流获取调制频率，控制带通滤波器频率进行频率追踪，使得带通滤波器通频带的中心频率与探测光束的调制频率一致。

具体的，还包括无线发射单元和无线接收单元，其中：

所述无线发射单元接收调制频率后输出至无线接收单元，所述无线接收单元将调制频率输出至带通滤波器的外部时钟。

具体的，所述光匀化片为积分球。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：投射在探测器接收面上的光束分布基本不变，能够较为准确地测量所述衰减系数；采用带通滤波器频率跟踪措施，保证带通滤波器的中心频率与调制频率一致。本发明特别适用于大气能见度和海水透过率的测量。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为本发明探测光束发射部分的结构示意图；

图3为本发明探测光束接收部分的结构示意图；

图4为本发明的频率信号处理线路结构示意图；

图5为本发明的频率信号无线传输结构示意图；

图6为直接调制光源的探测光束发射部分的结构示意图；

图7为本发明应用积分球作为光匀化片的结构示意图；

1-支柱；2-探测光束发射部分；3-探测光束；4-探测光束接收部分；5-支柱；6-驱动电源；7-发射光源；8-准直器；9-斩波器；10-伺服电机；11-电机驱动器；12-光电耦合器；13-光束调制频率信号线；14-玻璃平片；15-会聚透镜；16-光匀化片；17-光电探测器；18-接收侧放大器；19-带通滤波器；20-模拟数字转换器；21-运算单元；22-数据输出总线；23-发射侧放大器；24-波形整形电路；25-频率变换芯片电路；26-无线发射单元；27-无线接收单元；28-玻璃平片；29-积分球；30-光发射机构密封舱；31-光接收机构密封舱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参阅图1，其为本发明测量装置的结构示意图，支柱1支撑探测光束发射部分2，探测光束发射部分2发射探测光束3，探测光束3经过介质后到达探测光束接收部分4，探测光束接收部分4由支柱5支撑。

参阅图2和图3，分别为本发明探测光束发射部分的结构示意图和本发明探测光束接收部分的结构示意图。

本发明提供一种介质衰减系数测量装置，包括：发射光源7、斩波器9、光接收机构、接收侧放大器18、带通滤波器19、模拟数字转换器20和运算单元21，其中：

所述发射光源7用于发射探测光束，所述斩波器9对探测光束进行频率调制，调制后的探测光束透过玻璃平片28经过介质后入射光接收机构；

玻璃平片28设置于光发射机构的光束输出端，可以密封光发射机构密封舱30；

所述光接收机构包括光匀化片16和光电探测器17，光匀化片16对探测光束匀化，投射至光电探测器17的接收面上，光电探测器17光电转换后输出光电流信号；

所述接收侧放大器18将光电流信号转换为电压信号，带通滤波器19对电压信号进行滤波后获得正弦信号，模拟数字转换器20对正弦信号采样并向运算单元21输出数字信号，运算单元21计算介质的衰减系数。

在具体实施中，发射光源7在驱动电源6的驱动下发射连续的探测光束，探测光束被斩波器9调制成特定频率(可以约2.0kHz)的脉冲序列，探测光束经过介质衰减后，到达光接收机构，光匀化片16对探测光束匀化，经匀化的光，投射到光电探测器17的接收面上，经过光电转换成为光电流信号，该光电流信号经过接收侧放大器18的变换成为电压信号，带通滤波器19对接收侧放大器18输出的电压信号进行滤波，获得包括频率信息(若斩波器9调整频率约2.0kHz，则频率信息约为2.0kHz)的正弦信号，正弦信号的振幅大小与探测到的光功率幅度成正比，模拟数字转换器20(A/D转换器)对带通滤波器19输出的连续时域信号采样并输出数字信号，运算单元21控制模拟数字转换器20采样，并对接收到的模拟数字转换器20输出的数字信号进行运算处理，计算测试结果，即为介质衰减系数，并可以通过数据输出总线22输出。

在具体实施中，光匀化片16(匀光片、匀光器)可以使经过后的探测光束光强分布更加均匀，接收侧放大器18在本发明中的作用是将光电流信号转换为电压信号，起到将光电流信号转换为电压信号的器件均落在保护范围内，不受到器件名称的限定。

本发明实施例中，所述玻璃平片14设置于所述光接收机构的最前端，用于密封光接收机构；所述会聚透镜15设置于玻璃平片14和光匀化片16之间。

本发明实施例中，所述探测光束经过玻璃平片14之后，会聚透镜15将探测光束会聚于光匀化片16的中央区域；会聚透镜15、光匀化片16和光电探测器17之间的距离设置，使得探测光束匀化后的均匀区域覆盖光电探测器17的接收面。

在具体时间实施中，玻璃平片14位于光接收机构最前端，起到密封隔离窗口的作用，会聚透镜15置于玻璃平片14和光匀化片16之间，光匀化片16位于光电探测器17前端，探测光束透过介质后经过所述玻璃平片14，由会聚透镜15会聚到光匀化片16上，光匀化片16将光束漫透射，在光电探测器17的接收面上形成一个光强分布基本均匀的区域。在具体实施中，光电探测器17的接收面可以选择圆形或者正方形的，以上形状令光束在接收面上的分布更为均匀，进一步有效抑制光束的漂移，提升测量结果的准确度。

在具体实施中，会聚透镜15将探测光束会聚于光匀化片16的中央区域，光束在光匀化片16中心位置附近漂移时，透过匀化片后在光电探测器17敏感面或光纤正弦矫正器接收面上的光斑分布特性几乎不变，能有效抑制光束的漂移，采用漫透射匀化方法保证投射在光电探测器17接收面上的光强分布基本不变，且覆盖光电探测器17接收面，可以克服现有技术中光漂移的问题，能够较为准确地、实时地测量衰减系数。

在具体实施中，已知强度I₀的入射平行光束通过距离为L的介质后，光强衰减为I_t，根据Lambert-Beer定律得

I_t＝I₀e^-κL (1)

式中κ是介质的衰减系数。由(1)式得介质衰减系数κ为

介质衰减系数κ的测量不确定性由介质厚度L、入射强度I₀和透射光强度I_t的测量不确定性决定。通常入射强度I₀较大，采用稳光强措施后其不确定性较小可以忽略。距离L的测量精度可以很高，其不确定性也很小。因此，介质衰减系数κ的测量不确定性主要由透射光强度I_t的测量不确定性决定。

随着微电子技术和材料技术的发展，精密运算放大器的等效噪声和电阻、电容无源元件的温漂系数都很小，并且可以估计。根据已有光电探测应用系统不确定来源的分析，光束漂移对测量的不确定性有重要影响。

光辐射用功率表述时，介质衰减系数κ可由入射光功率P₀和透射光功率P_t计算得到

根据上述测量不确定性成因的分析，暂不考虑噪声干扰等的影响，仅考虑光束漂移时，光电二极管的性能缺陷对能见度测量不确定度的贡献。

入射到光电二极管光子进入耗尽层，半导体吸收光子产生电子-空穴对，耗尽区内的电子-空穴对被结区电场分开，在外电路形成电流。由于缺陷等原因，光子产生的电子-空穴有一部分复合，降低了光的利用率。考虑到电子-空穴的符合后，光电二极管的有效量子效率η为：

(3)式中，I_ph为光生电流，q为电子电荷量，Φ_λ是波长为λ的光通量。对波长为λ的光，光电器件的光谱响应度为R_λ为：

式中，h为普朗克常数,P_λ是入射光功率。

假定波长为λ的辐射照度分布为E_λ(x,y)，入射光功率P_λ为

P_λ＝∫E_λ(x,y)ds (5)

工作面积一定的光电二极管，由于材料结构缺陷、应力分布等原因，量子效率存在一定的不均匀性，因此，量子效率与位置有关，记为η(x,y)。光子进入耗尽层之前必须经过一个厚度为d半导体掺杂区，该半导体层对入射光子存在一定的吸收。吸收系数α的均匀性直接影响着光电二极管光电转换特性的均匀性。

设光斑投射在光电二极管敏感面的点(x,y)处的小区域内，光生电流可表示为：

(x′,y′)为点(x,y)附近光照区域内的坐标。由式(6)可以看出，在同样光照情况下，光电二极管工作区域的不均匀将直接导致光电流的不同。所以，在给定的光照情况下，入射光投射在光电二极管敏感面不同区域，所产生的光生电流也不同，导致检测到的入射光的光强存在一定的不确定。

令

则有I_ph＝∫R_λ(x,y；x′,y′)E_λ(x,y；x′,y′)ds′(8)

假定光照度均匀分布，则(11)式可改写为：

I_ph＝E_λ∫R_λ(x,y；x′,y′)ds′ (9)

若光斑投射在光电二极管敏感面上的面积足够小，则在光斑范围内，光电转换响应度R(x,y)可视为均匀，则(8)式改写为

I_ph＝R_λ(x,y)∫E_λ(x,y；x′,y′)ds′

由(5)式得

I_ph＝R_λ(x,y)P_λ (10)

由(10)得知R_λ(x,y)即为光电二极管的响应度。在目前技术水平和工艺条件下，光电二极管材料自身的不均匀性、生产工艺的影响可以忽略，因此，吸收系数α分布的不均匀性可以不计。由(7)式知，光电二极管的响应度的不均匀性主要由量子效率η(x,y)决定，由于光电二极管工作区域，即敏感区的尺度总是有限大小，而敏感区的边缘是电子-空穴复合中心，离复合中心的距离不同，复合率不同，即量子效率η(x,y)不同。敏感区的中心离边缘最远，此处电子-空穴复合率最小，量子效率η(x,y)最高。

令光电二极管工作在零偏置模式下，其响应度的线性度较好，暗电流较小。低噪声放大器(对应本发明中的接收侧放大器18)的输出电压幅值大小为U_out：

U_out＝R_FI_ph＝R_F∫R_λ(x,y；x′,y′)E_λ(x,y；x′,y′)ds′ (11)

式中，R_F是低噪声放大器的反馈电阻，实验中可以用标称值100kΩ±1％，低温漂电阻，其温漂可以为75×10^-6Ω/℃。

当光束光斑面积较小时，在光斑区域内，光电转换响应度R(x,y)视为均匀，则(11)式可写为：

U_out＝R_FI_ph＝R_FR_λ(x,y)∫E_λ(x,y；x′,y′)ds′ (12)

式(12)积分所得结果就是光束功率，因此有

U_out＝R_FI_ph＝R_FR_λ(x,y)P_λ (13)

式(13)表明：光强不变时，光斑位于光电二极管不同位置，测得的电压由该处的光电响应度决定，可以推知响应度的分布。

当光束光斑面积较大且均匀覆盖光电探测器17的敏感面时，在光斑区域内，光照强度E(x,y)视为均匀，则(11)式可写为：

U_out＝R_FI_ph＝R_FE_λ∫R_λ(x′,y′)ds′ (14)

(14)式中积分的结果用R_λt表示，是探测器敏感面内各处光电转换相应的总贡献，对于给定的探测器而言，该积分的值是确定的。

U_out＝R_FI_ph＝R_FE_λR_λt (15)

引入探测器敏感面内平均光电响应度

敏感面积为S，则式(15)可改写为

(16)式中的P_λ是探测器敏感面接收到的光总功率。

在白光探测情况下，探测光束的调制频率可设置在150-300Hz之间，用高灵敏度的热电堆或热释电代替光电二极管探测器，将热电堆或热释电的受光面做黑化处理，使得光谱响应均匀，热电堆接或热释电收光匀化片16后的漫透射光，将各波长功率相加得到通过介质后总功率

考虑到本发明中，光接收机构中的窗口、会聚透镜15和光匀化片16的吸收散射等作用，从窗口到探测器接收面，光能量的损失，引入光谱效率系数τ_λ，(16)和(17)式分别改写为

其中光谱效率系数τ_λ和光电响应度

都可以有实验测定。

根据实验观测，当光束在光匀化片16中心位置附近漂移时，透过匀化片后在探测器敏感面或光纤正弦矫正器接收面上(当用光纤接收探测光时)的光斑分布特性几乎不变，能有效抑制光束的漂移。

光匀化片的材料内部结构是均匀的，由于光匀化片内部显微结构尺度在微米量级，故光通过时受到的散射呈米散射形式，根据米散射的有关理论，光透过匀化片后的前向总散射系数可以表达为：

β(θ)是与光传播极轴方向(垂直于光匀化片的方向)间隔θ角方向的角散射系数，极轴与匀化片垂直。由于匀化片显微结构均匀，所以角散射系数β(θ)关于极轴旋转对称；由米散射理论以及上述公式，在极轴方向的光束光强分布几乎均匀，而将入射光束适当会聚，漫透射光在极轴方向的均匀区域适当扩大。当光束在光匀化片中央入射时，漫透射光主要分布在光匀化片中心对称轴(光传播极轴)区域附近，且此区域内透射后的光束光强分布基本均匀，因此即使光束在光匀化片中央附近漂移时，仍可使散射后的均匀光束覆盖探测器敏感面，即在同样允许的测量不确定度下，允许探测光束漂移的冗余量较大，亦即抗探测光漂移能力强。

另一方面，根据电子技术的相关理论，带通滤波器可以分成无源和有源两种类型，无论哪种类型，带通滤波器的通频带中心频率f_c和对应的增益G_c，都由带通滤波器电路所选用的电容、电阻或电感元件的数值决定，亦即f_c和G_c是相应滤波网络电路元件参数的函数。为分析方便，假如使用二阶滤波电路作为带通滤波器电路，则可以把该滤波通频带中心频率f_c和对应的增益G_c表达为元件参数的函数，对于有源二阶带通滤波器有：

f_c＝f(r₁,r₂,c₁,c₂) (20)

G_c＝g(r₁,r₂,c₁,c₂) (21)

(20)和(21)式中，r₁,r₂,c₁,c₂，分别是构成二阶有源带通滤波器的两个电阻和两个电容的参数值，由于电阻、电容元件的参数值都随环境温度的变化而变化，因此滤波通频带中心频率f_c和对应的增益G_c都是环境温度T的隐函数，对公式(20)和公式(21)分别求隐函数T的微分得滤波通频带中心频率f_c和对应的增益G_c的变化量分别为：

对于最基本的无源带通滤波器，由两个电容和两个电感元件组成，其通频带中心频率f_c和对应的增益G_c表达为：

f_c＝f(c₁,c₂,l₁,l₂) (24)

G_c＝g(r,c₁,c₂,l₁,l₂) (25)

(24)和(25)式中，r是滤波电路的等效电阻，其数值也是随温度变化的，c₁，c₂，l₁，l₂分别是两个电容和两个电感元件的参数值，对公式(24)和公式(25)分别求隐函数T的微分得滤波通频带中心频率f_c和对应的增益G_c的变化量分别为：

从(22)、(23)(26)和(27)式可知，无论哪种类型的带通滤波器，其通频带中心频率f_c和对应的增益G_c都随环境温度T的变化而变化。此结论对于高阶的带通滤波器有同样的分析结果。考虑电路系统的制造和体积微型化，基本不采用无源带通滤波器用于探测系统的信号解调，本发明由此可以采用有源带通滤波器。

有源带通滤波器可以在IC芯片之外设置阻容网络选频达到滤波目的，如果选频网络参数(电阻、电容等参数)能够稳定则选频后的信号频率能够稳定，即通频带中心频率就能稳定。因此，本发明用外部时钟信号代替该选频网络的选频信号，而外部时钟信号由探测光束调制频率信号决定，从而实现带通滤波器的通频带中心频率f_c对探测光束调制频率的跟踪，与探测光束的调制频率一致，由此IC芯片无需外设选频网络，带通滤波器的通频带中心频率f_c不受环境温度影响，对应的增益G_c由IC芯片内部机构决定，由此避免外界对测量结果的干扰，特别是在介质衰减系数测量的过程中，外界干扰较多且容易对测量结果产生较大的影响的情况下，可以有效提升测量结果的准确度。

参阅图4，其为本发明的频率信号处理线路结构示意图。

本发明实施例中，介质衰减系数测量装置还包括：准直器8、伺服电机10、电机驱动器11、光电耦合器12、发射侧放大器23和波形整形电路24，其中：所述准直器8设置于发射光源7和斩波器9之间；所述斩波器9在伺服电机10的驱动下旋转，光电耦合器12检测斩波器9的转速，并输出调制频率信号至发射侧放大器23，调制频率信号经波形整形电路24后得到脉冲信号，电机驱动器11根据脉冲信号的频率控制伺服电机10，进而控制斩波器9对探测光束的频率调制。

在具体实施中，探测光束先经准直器8后，成为平行光束，再进行斩波器9的调制。准直器8可以由消像差光学透镜组构成。

在具体实施中，斩波器9由伺服电机10驱动旋转，伺服电机10由电机驱动器11驱动，光电耦合器12检测斩波器9的转速即光束调制频率，光电耦合器12的输出信号经过发射侧放大器23放大后，再经波形整形电路24(施密特电路)整形得到标准的脉冲序列，该脉冲信号输出至电机驱动器11，电机驱动器11根据接收到的脉冲信号频率，调节伺服电机10的转速，进而控制斩波器9对探测光束的频率调制，形成转速稳定的闭环控制。

本发明实施例中，介质衰减系数测量装置还包括：频率变换芯片电路25，接收波形整形电路24输出的脉冲信号，可以通过光束调制频率信号线13向带通滤波器19的外部时钟传输调制频率，外部时钟控制带通滤波器19频率进行频率追踪，使得带通滤波器19通频带的中心频率与探测光束的调制频率一致。

在具体实施中，波形整形电路24整形得到标准的脉冲序列，该脉冲信号分别送给电机驱动器11和频率变换芯片电路25。带通滤波器19采取频率跟踪措施，用探测光束调制信号作为带通滤波器19的外部时钟的信号，实现中心频率跟踪，使得带通滤波器19通频带的中心频率保持与探测光束的调制频率一致，有效抑制了环境温度产生的带通滤波器19通频带中心频率漂移与探测光束调制频率不同时，导致的滤波频响系数的变化，频响系数的变化就是滤波器增益的变化，能够较为准确地、实时地测量衰减系数。

参阅图6，其为直接调制光源的探测光束发射部分的结构示意图。

本发明实施例中，介质衰减系数测量装置还包括：驱动电源6，用于驱动发射光源7，驱动电流为脉冲序列，带通滤波器19的外部时钟通过驱动电流获取调制频率，控制带通滤波器19频率进行频率追踪，使得带通滤波器19通频带的中心频率与探测光束的调制频率一致。

在具体实施中，本发明中的发射光源7包含卤素灯、钨丝灯、激光器和LED发光器件，驱动电源6可以为光功率调制器(可以带功率稳定)和光功率稳定电路。

在具体实施中，在发射光源7是激光光源或LED光源，驱动电源6是光功率调制器时，还可以使用直接电源调制方式(参阅图6)，驱动电源6输出的驱动电流为脉冲序列，此时，驱动电源6的调制频率信号同时直接输出至带通滤波器19的外部时钟接口，带通滤波器19实现中心频率跟踪。

本发明实施例中，所述光匀化片为积分球。

参阅图7，其为本发明应用积分球作为光匀化片的结构示意图。

在具体实施中，积分球29也可以作为本发明中光匀化片16的一种，积分球是一种内壁涂有漫反射材料的空腔球体，又称光度球，光通球等。在球壁上开一个或几个窗孔，用作进光孔和光接收器件的接收孔。积分球的内壁可以是良好的球面，进入积分球的光束经过内壁涂层多次反射，在内壁上形成均匀照度，由此在在光电探测器的接收面上可以形成光强分布基本均匀的区域。

在具体实施中，积分球29设置在光接收机构密封舱31，在会聚透镜15和光电探测器17之间，探测光束3透过介质后经过所述玻璃平片14，由会聚透镜15会聚到积分球29上，积分球29将光束匀化漫透射，在光电探测器17的接收面上形成光强分布基本均匀的区域，且该区域可以覆盖光电探测器17的接收面。

参阅图5，其为本发明的频率信号无线传输结构示意图。

本发明实施例中，介质衰减系数测量装置还包括无线发射单元26和无线接收单元27，其中：所述无线发射单元26接收调制频率后输出至无线接收单元27，所述无线接收单元27将调制频率输出至带通滤波器19的外部时钟。

在具体实施中，测量距离较远时，调制频率信号可以采用无线传输方式。频率变换芯片电路25或者驱动电源6输出的调制频率信号通过无线发射单元26发射，无线接收单元27接收无线发射单元26发出的频率信号，无线接收单元27与带通滤波器19的外部时钟接口连接。

Claims (8)

1.一种介质衰减系数测量装置，其特征在于，包括：发射光源、斩波器、光接收机构、接收侧放大器、带通滤波器、模拟数字转换器和运算单元，其中：

所述发射光源用于发射探测光束，所述斩波器对探测光束进行频率调制，调制后的探测光束经过介质后入射光接收机构；

所述光接收机构包括光匀化片和光电探测器，光匀化片对探测光束匀化，投射至光电探测器的接收面上，光电探测器光电转换后输出光电流信号；

所述接收侧放大器将光电流信号转换为电压信号，带通滤波器对电压信号进行滤波后获得正弦信号，模拟数字转换器对正弦信号采样并向运算单元输出数字信号，运算单元计算介质的衰减系数。

2.根据权利要求1所述的介质衰减系数测量装置，其特征在于，所述光接收机构还包括：玻璃平片和会聚透镜，其中：

所述玻璃平片设置于所述光接收机构的最前端，用于密封光接收机构；所述会聚透镜设置于玻璃平片和光匀化片之间。

3.根据权利要求2所述的介质衰减系数测量装置，其特征在于，所述探测光束经过玻璃平片之后，会聚透镜将探测光束会聚于光匀化片的中央区域；会聚透镜、光匀化片和光电探测器之间的距离设置，使得探测光束覆盖光电探测器的接收面。

4.根据权利要求1所述的介质衰减系数测量装置，其特征在于，还包括：准直器、伺服电机、电机驱动器、光电耦合器、发射侧放大器和波形整形电路，其中：

所述准直器设置于发射光源和斩波器之间；

所述斩波器在伺服电机的驱动下旋转，光电耦合器检测斩波器的转速，并输出调制频率信号至发射侧放大器，调制频率信号经波形整形电路后得到脉冲信号，电机驱动器根据脉冲信号的频率控制伺服电机，进而控制斩波器对探测光束的频率调制。

5.根据权利要求4所述的介质衰减系数测量装置，其特征在于，还包括：频率变换芯片电路，接收波形整形电路输出的脉冲信号后向带通滤波器的外部时钟输出调制频率，外部时钟控制带通滤波器频率进行频率追踪，使得带通滤波器通频带的中心频率与探测光束的调制频率一致。

6.根据权利要求1所述的介质衰减系数测量装置，其特征在于，还包括：驱动电源，用于驱动发射光源，驱动电流为脉冲序列，带通滤波器的外部时钟通过驱动电流获取调制频率，控制带通滤波器频率进行频率追踪，使得带通滤波器通频带的中心频率与探测光束的调制频率一致。

7.根据权利要求5或6所述的介质衰减系数测量装置，其特征在于，还包括无线发射单元和无线接收单元，其中：

所述无线发射单元接收调制频率后输出至无线接收单元，所述无线接收单元将调制频率输出至带通滤波器的外部时钟。

8.根据权利要求1所述的介质衰减系数测量装置，其特征在于，所述光匀化片为积分球。

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