CN113640222A - 手持式双工作模式的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪 - Google Patents

手持式双工作模式的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手持式双工作模式的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪，包括激光发射端、信号接收端、连接端和握把，激光发射端包括方波驱动电路、激光二极管、发射望远镜与准直镜，信号接收端包括接收望远镜、滤光片、光电转换模块、信号采集模块与滤波模块、控制模块和显示屏幕，连接端包括三个可以同轴旋转且内含步进电机受控制旋转的圆环以及分别连在三个圆环上的等长的伸缩杆。本发明提供的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪体积小、重量轻、结构小巧紧凑、方便手持与携带、使用简单、探测速度快、应用广泛，可任意调整测量角度而且成本低廉操作方便，同时可用于补偿透射式能见度仪在气溶胶衰减特性较小时的高能见度。

Description

手持式双工作模式的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪
技术领域
本发明涉及激光设备技术领域，具体是一种手持式双工作模式的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪。
背景技术
大气衰减特性是光在大气中的传输特性之一。因大气介质对光有消光现象，导致光在介质中传播过程中发生了能量衰减，减小了光的传播距离。能使光发生能量衰减的是大气中气体分子(水蒸汽、二氧化碳、臭氧等)、水汽凝结物(冰晶、雪、雾等)及悬浮微粒(尘埃、烟、盐粒、微生物等)的吸收和散射作用，其中水汽凝结物和悬浮微粒可以统称为气溶胶粒子。
当光的波长在可见光范围内，大气衰减特性可以表示为能见度。能见度在污染预警、天气预测、交通安全和航空安全的领域有着重要作用。
然而对光的大气衰减特性的研究不仅限于可见光。随着红外光在热成像仪和夜视仪等领域的广泛应用，测量红外光的大气衰减特性可以更深入地了解大气对红外成像过程的影响。尤其在主动式红外成像过程中，大气中的气溶胶会影响红外发射光的强度和红外反射光成像的质量，使得红外成像在特殊天气下有一定的距离限制。
随着激光技术的发展与完善，激光逐渐应用到雷达等领域，尤其在激光雷达和激光测距这两个方向，测量红外激光的大气衰减特性也具有实际意义。激光雷达和激光测距仪在量程范围不大的情况下，激光在大气中气溶胶的衰减影响比较小。除了极个别极端天气外，往往忽略气溶胶带来的衰减影响。但是对于几公里量程范围的望远镜式激光测距仪和工业激光测距仪，激光在大气中传输的路径相对较长，气溶胶带来的衰减不能忽略。所以激光在大气中的传输过程中气溶胶的衰减特性的数值大小尤为重要。测量出大气衰减特性，可以得出不同天气对激光雷达和激光测距仪量程的影响。
随着通信技术不断发展，激光通信与光纤通信已经广泛应用于日常的生活中。不同于光纤通信需要依赖光纤作为光介质且受制于光纤的质量和长度，激光通信不需要额外的人造介质。此外，使用红外光作为光源，更加突出激光通信的隐秘性。没有了光纤和光纤相关的光耦器件使得激光通信结构轻便、安装便捷，能适应各种特殊地形，可以实现楼宇间、岛与岛之间和山顶与山顶之间的加密通信。同时，激光通信具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强等优点。卫星间通信的空间激光通信由于处在大气层外，大气稀薄使得激光通信传输损耗小，传输距离远，通信质量高。但是处在大气层内部的激光通信以大气作为介质，受制于大气的衰减和吸收，即不同的天气状况会对激光通信带来不同的影响，严重影响通信质量。所以研究激光在大气中的衰减特性是非常重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种手持式双工作模式的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪，能够在两个工作模式下测量气溶胶的衰减特性和能见度，测量高能见度时的气溶胶衰减特性和能见度，可用于补偿透射式能见度仪在气溶胶衰减特性较小时的高能见度，可以手动缓慢旋转角度并且同时测量各个角度的气溶胶衰减特性和能见度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，包括激光发射端、信号接收端和握把，其中：
所述激光发射端包括方波驱动电路、激光二极管、发射望远镜与准直镜，所述激光二极管位于发射望远镜焦点处，准直镜位于发射望远镜前端；
所述信号接收端包括接收望远镜、滤光片、光电转换模块、信号采集模块与滤波模块、控制模块和显示屏，所述滤光片位于接收望远镜的前端，所述光电转换模块位于接收望远镜焦点处；
所述连接端包括三个可以同轴旋转并且内含步进电机受控旋转的圆环以及分别连在三个圆环上的发射端伸缩杆、接收端伸缩杆、支撑伸缩杆；所述激光发射端、信号接收端、握把分别通过发射端伸缩杆、接收端伸缩杆、支撑伸缩杆与对应的圆环相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的手持式双工作模式的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪可以测量各个角度的散射光强，进而反演计算得到气溶胶衰减特性和能见度。本发明提供的激光气溶胶衰减特性测量仪体积小、重量轻、结构小巧紧凑、方便手持与携带、使用简单、探测速度快、应用广泛，成本低廉操作方便。
附图说明
图1为本发明实施例提供的手持式双工作模式的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪的结构示意图。
图2为发明实施例提供的激光发射端和信号接收端的截面示意图。
图3为发明实施例提供的连接端的结构示意图。
图4为发明实施例提供的握把的结构示意图。
具体实施方式
可见光下的大气衰减特性就是能见度，能见度又可以称为气象光学视程。参考气象光学视程的定义：白炽灯在色温2700K的条件下发出平行光束,该光束在大气中传播，当光强度在大气中衰减至初始值的5％时所经过的路径长度。由可见光推广到所有波长，能见度的理论也可以是测量光的大气衰减特性的原理。
Bouguer-Lambert定律是能见度测量理论的基础，所以大气衰减特性测量理论的推导从Bouguer-Lambert定律开始，原理如下：
光辐射在大气中的衰减遵循Bouguer-Lambert定律：
Figure BDA0003183240880000031
式中T为衰减特性即大气透射比，φ0为探测光束初始发光强度，φ为经过衰减后的光强度，σ为消光系数，B为大气水平气柱样本的长度即基线长度。
则消光系数为
σ＝-lnT/B
大气水平能见度基本公式-Koschmieder公式：
V＝-lnε/σ≈2.996/σ
式中V为大气能见度，ε为气象视觉阈值。
所以通过大气衰减特性反演能见度为：
Figure BDA0003183240880000032
由上述公式可以发现，当大气衰减效果不明显时，I(v)与I0(v)的值相差不大，I(v)/I0(v)的值接近于1，则ln(I(v)/I0(v))的接近于0。而且V与ln(I(v)/I0(v))成反比例关系，在大气衰减效果不明显时，测量I(v)/I0(v)带来的很小的误差就可以引起计算结果有很大的计算错误，对于内部的系统来说是非常不稳定的因素，所以根据透射光计算大气衰减特性有局限性。
在较高能见度时，其实可以通过散射来计算消光系数，用散射求得的消光系数去补偿衰减透射的消光系数，测量出衰减不明显的大气衰减特性，进而补偿大气衰减不明显时的能见度。在不同能见度下使用不同的测量方式来确保测量的准确度。
同时不同天气下的气溶胶粒子组成不同，导致即使用相同的激光照射气溶胶样本气体也会得到不同的散射光强分布，测量各个角度的散射光强可以反演计算更全面的气溶胶粒子信息，进而可以计算出不同天气下的气溶胶衰减特性。
为了使本发明的目、技术方案即优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅以解释本发明，并不限于本发明。
如图1所示，本发明的一种手持式双工作模式的激光散射式气溶胶衰减特性测量仪，包括激光发射端1、信号接收端2、连接端3和握把4。
如图2所示，所述激光发射端1包括：方波驱动电路5、激光二极管6、发射望远镜与准直镜7；
所述信号接收端2包括：接收望远镜11、滤光片12、光电转换模块10、信号采集模块与滤波模块9、控制模块8和显示屏13，所述光电转换模块10在接收望远镜11的焦平面上，所述滤光片12在接收望远镜11的前端；
所述发射望远镜的前端是准直镜；接收望远镜11的前端是滤光片12，发射望远镜焦点处是激光二极管6，接收望远镜11焦点处是光电转换模块10。
如图3所示，所述连接端3包括：三个可以同轴旋转并且内含步进电机受控旋转的塑料圆环18以及分别连在三个圆环上的发射端伸缩杆14、接收端伸缩杆15、支撑伸缩杆17，圆盘上有相应刻度，所述发射端伸缩杆14、接收端伸缩杆15、支撑伸缩杆17与圆环18的连接点的切线相垂直，所述发射端伸缩杆14、接收端伸缩杆15与激光发射端1和信号接收端2连接处不可旋转，所述发射端伸缩杆14、接收端伸缩杆15与激光发射端1和信号接收端2的光轴平行；所述三个圆环可以分别同轴旋转，圆环内含步进电机可以受控旋转，圆盘上有相应刻度，圆环可以工作在固定角度和手动旋转两个工作模式下。
如图4所示，所述握把4包括：塑料圆柱21、探测按钮19、开关按钮20、电池槽22和USB接口23，所述探测按钮19、开关按钮20、电池槽22和USB接口23都在塑料圆柱21上，所述电池槽22与USB接口23并联并连接在控制模块8，所述探测按钮19和开关按钮20与控制模块8相连。
所述电池槽22和USB接口23连接上相应的供电设备。所述连接端3的塑料圆环18可以旋转，所述发射端伸缩杆14、接收端伸缩杆15、支撑伸缩杆17可以拉伸。所述探测按钮19和开关按钮20都按后，可以选择所述仪器的工作模式，当仪器开始工作在固定角度模式，所述激光发射端1的光轴与所述信号接收端2的光轴夹角固定，所述发射望远镜与准直镜7焦点处的激光二极管6发射的激光经过发射望远镜与准直镜7汇聚向被检测气体准直发出。即从图中的激光发射端1沿伸缩杆指向连接端3。所述光电转换模块10将透过了接收望远镜11和滤光片12的散射光转信号化为电信号送入信号采集模块与滤波模块9，最终送入控制模块8进行处理，并将处理得出的气溶胶衰减特性的值显示在显示屏13上。当仪器开始工作在手动旋转模式，所述激光发射端1的光轴与所述信号接收端2的光轴夹角不固定，可以由任意角度开始，所述焦点处的激光二极管6发射的激光经过发射望远镜与准直镜7汇聚准直发出。所述塑料圆环18受步进电机控制带动所述发射端伸缩杆14缓慢旋转，旋转角度可自由选择，最小旋转角度为1°，所述光电转换模块10将透过了接收望远镜11和滤光片12的各个角度的散射光信号转化为电信号送入信号采集模块与滤波模块9，最终送入控制模块8进行处理，并将所述的处理得出的气溶胶衰减特性的值显示在显示屏13上，记录好数据后，再次由步进电机带动所述发射端伸缩杆14缓慢旋转，旋转角度可自由选择，处理并记录数据直至记录到所需的数据量。
在上述实施例中，优选地，所述激光器为激光二极管6。
在上述实施例中，优选地，所述激光二极管为脉冲1550nm的激光二极管6。
在上述实施例中，优选地，所述滤光片12为红外滤光片。
在上述实施例中，优选地，所述发射端伸缩杆14、接收端伸缩杆15、支撑伸缩杆17为不锈钢伸缩杆。
在上述实施例中，优选地，所述发射端伸缩杆14和接收端伸缩杆15与激光发射端1和信号接收端2连接处不可旋转。
在上述实施例中，优选地，所述塑料圆环18内含步进电机可以工作在固定角度和手动旋转两个工作模式下。
在上述实施例中，优选地，所述发射望远镜与准直镜7和所述接收望远镜11为一体设计。
控制端中的嵌入式计算机首先对外部接口和数据采集等进行初始化参数设定。如果由于硬件的原因初始化失败，则需要判断是否重新开始，重新开始前需要断开电源，检查硬件，在对硬件初始化。初始化结束后，如果必要可以对工作参数进行修改，直至满足要求。
测量开始时，激光二极管发射脉冲，经过望远镜和准直镜照射到被探测气溶胶，经过散射的光在透过滤光器和望远镜进入光电转换模块，数据采集接口采集n个数据，对n个数据进行平均。此时激光二极管停止发射激光。嵌入式计算机反演气溶胶衰减特性和能见度并显示出来，最后结束测量，关闭电源。整个测量过程结束。
连接端圆环工作模式由嵌入式计算机控制，模式选择由探测按钮控按压制输入。
本发明提供的激光散射式气溶胶衰减特性测量可以处在两种工作模式下：固定角度测量气溶胶衰减特性和能见度与步进电机受控旋转测量不同角度溶胶衰减特性和能见度。该手持式双工作模式的激光散射式能见度仪，对机械加工要求不高；采用模块化结构，无需太多调整，体积小、重量轻、结构小巧紧凑、方便手持与携带、使用简单、探测速度快、应用广泛，可任意调整测量角度而且成本低廉操作方便。由于旋转方向可以任意，不仅可以前向散射式，也可以后向散射式、透射式。也可以调整任意测量位置无需安装，适应性强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作任何修改、等同替换和改进等，均应包含本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，其特征在于，包括激光发射端、信号接收端和握把，其中：
所述激光发射端包括方波驱动电路、激光二极管、发射望远镜与准直镜，所述激光二极管位于发射望远镜焦点处，准直镜位于发射望远镜前端；
所述信号接收端包括接收望远镜、滤光片、光电转换模块、信号采集模块与滤波模块、控制模块和显示屏，所述滤光片位于接收望远镜的前端，所述光电转换模块位于接收望远镜焦点处；
所述连接端包括三个可以同轴旋转并且内含步进电机受控旋转的圆环以及分别连在三个圆环上的发射端伸缩杆、接收端伸缩杆、支撑伸缩杆；所述激光发射端、信号接收端、握把分别通过发射端伸缩杆、接收端伸缩杆、支撑伸缩杆与对应的圆环相连。
2.根据权利要求1所述的手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，其特征在于，所述圆环内含步进电机可受控旋转，三个伸缩杆与连接圆环的点的切线相垂直，发射端伸缩杆、接收端伸缩杆分别与激光发射端和信号接收端的光轴平行。
3.根据权利要求2所述的手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，其特征在于，伸缩杆与激光发射端和信号接收处理端连接处不可旋转。
4.根据权利要求2或3所述的手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，其特征在于，伸缩杆为不锈钢伸缩杆。
5.根据权利要求1所述的手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，其特征在于，所述握把包括圆柱把手、探测按钮、开关按钮、电池槽和USB接口，所述探测按钮、开关按钮、电池槽和USB接口都在圆柱把手上，所述电池槽与USB接口并联并连接在控制模块，所述探测按钮、开关按钮和控制模块相连。
6.根据权利要求5所述的手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，其特征在于，通过探测按钮和开关按钮，选择测量仪的工作模式：
当所述测量仪开始工作在固定角度模式，所述激光发射端的光轴与所述信号接收端的光轴夹角固定，激光二极管发射的激光经过发射望远镜与准直镜汇聚准直发出；所述光电转换模块将透过接收望远镜和滤光片的散射后的激光转化为电信号送入所述信号采集模块和滤波模块，最终送入控制模块进行处理，并将处理得出的气溶胶衰减特性的值显示在显示屏上；
当测量仪开始工作在手动旋转模式，所述发射端的光轴与接收端的光轴夹角不固定，可由任意角度开始，激光二极管发射的激光经过发射望远镜和准直镜汇聚准直发出；所述圆环由步进电机带动伸缩杆旋转，旋转角度可自由选择，最小旋转角度为1°，所述光电转换模块将透过所述接收望远镜和所述滤光片的散射后的各个角度的激光转化为电信号送入信号采集模块和滤波模块，最终送入控制模块进行处理，并将处理得出的气溶胶衰减特性的值显示在显示屏上，记录好数据后，再次由步进电机带动伸缩杆缓慢旋转，旋转角度可自由选择，处理并记录数据直至记录到所需的数据量。
7.根据权利要求1所述的手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，其特征在于，所述激光二极管为波长1550nm的激光二极管。
8.根据权利要求1所述的手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，其特征在于，所述滤光片为红外滤光片。
9.根据权利要求4所述的手持式双工作模式的激光前向散射式气溶胶衰减特性测量仪，其特征在于，所述发射望远镜和接收望远镜为一体设计。
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