CN114324170A - 非同轴光路的大气成分超光谱测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环境空气质量监测技术领域，具体为一种非同轴光路大气成分超光谱测量系统。本发明系统包括由光源和一组反射镜组成的测量光路系统，以及由光谱仪、计算机和光路调节控制器组成的分析和控制系统。本发明属于开放光路测量技术，测量光路系统又由发射光路系统、接收光路系统和光路另一端的反射镜组成，发射光路系统和接收光路系统的光轴非同轴，而且之间有一个夹角，可分别独立调整发射和接收光路的角度，与现有技术相比，能够远程通过计算机和调节控制器独立调节发射或接收光路角度，实现光路的精准控制。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种监测环境空气质量的非同轴光路的大气成分超光谱测量系统。
背景技术
环境空气中的气态污染物主要包括臭氧、二氧化硫、二氧化氮、氨气、甲醛、苯系物和一氧化氮等。目前对这些气态污染物的测量主要有抽气采样的点式仪器和无需抽气采样的开放光路在线测量仪器等。抽气采样的点式测量仪器一般要安装在监测站房内，通过一根与外界相连的采样管将外界环境空气抽取到仪器内的测量单元，这类仪器一般情况下一台设备只能测量一种污染物，比如二氧化硫分析仪只能测量二氧化硫，臭氧分析仪只能测量臭氧，而且空气通过采样系统也会有部分的损坏，会对测量带来一定的误差。开放光路的在线测量仪器是通过发射一束测量光束，光束在大气中传输时会被大气中的污染物吸收，不同的污染物有着各自的吸收光谱特性，犹如不同的人有不同的指纹一样，通过分析实时测量的大气吸收光谱，可以对大气中的污染物进行定性和定量测量。
现有的开放光路测量仪器主要有两种工作方式，一种是光源发射单元在一端，而接收单元在光路的另一端的工作方式，这种情况下，光源发出的光经过大气传输后直接被接收端接收，测量光程就是发射端到接收端之间的直线距离，在光源发射端需要一个较大的空间，而且需要有电源来供电，对设备的安装要求较高；另一种工作方式是反射式的，就是发射端和接收端都在光路的一端，在光路的另一端使用一个反射镜，这种情况下，光源发射的光射向反射镜，被反射镜反射后，光束沿原路返回，被接收端接收，测量光程是发射端和反射镜之间距离的2倍。
对于开放光路的仪器，由于光束在大气中传输较远的距离，因此接收端将接收到的光束准确汇聚到光纤的入射端对提高仪器测量精度非常重要。现有反射式工作的测量仪器，光的发射单元和接收单元都是同轴设计的，也就是发射单元和接收单元共同使用一块球面反射镜，反射镜的一部分用作发射用，另一部分则作接收用，而在光路另一端的反射镜则使用角锥棱镜，确保光沿原路返回。这种设计方式，由于发射端和接收端是同轴的，并且共同使用同一块球面反射镜，发射光路和接收光路无法单独调节，一旦出现由于热胀冷缩、仪器位移或其他原因导致的光路偏离，使得接收端接收的光汇聚不到光纤接收端的中心位置，则是很难通过调节发射端（接收端）的发射角度（接收角度）调正光路，导致测量精度受到严重影响，必须要打开设备，重现调节光源、球面反射镜和光纤接收端的位置才能使光路达到最佳状态。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中的不足，提供一种光路调正方便、测量精度高的非同轴光路的大气成分超光谱测量系统。
本发明提供的大气成分超光谱测量系统，基于非同轴光路设计的反射式开放光路大气成分超光谱测量系统。其发射端和接收端可分别单独调节光路角度，通过单独调节发射端或接收端的光路角度即可实现对测量光路的精确调节。其结构如图1所示，主要包括由光源1、光纤5和三块反射镜组成的测量光路系统，以及由光谱仪6、计算机7和光路调节控制器8组成的分析和控制系统；其中：
所述测量光路系统中，光源1、第一反射镜2、第三反射镜4和光纤5的接收端位于光路的一端，构成发射和接收光路系统；第二反射镜3位于光路的另一端，其与发射和接收光路端之间的距离一般为10-1000米之间的范围，实际距离根据设备具体测量的污染种类和现场安装条件来确定。
所述光源1位于第一反射镜2的焦平面上；为了不影响光的发射，光源1位于第一反射镜2的主轴一侧一定的距离，以不影响光的发射为宜，光源1和第一反射镜2构成一个独立的发射腔室9；光纤5的入射端位于第三反射镜4的焦点位置，第三反射镜5和光纤5的入射端构成一个独立的接收腔室10；接收腔室10与发射腔室9之间用隔板隔开；作为反射光源的第一反射镜2的光轴和作为汇聚反射光的第三反射镜4的光轴非同轴，而且之间有一个夹角，构成本发明的主要特征——非同轴光路系统。
进一步地，两个光轴之间的夹角为 0.01到1.2 度之间。
所述光纤5的出射端连接光谱仪6，光谱仪6与计算机7连接；光路调节控制器8分别于发射腔室9和计算机7连接；光谱仪将入射到其狭缝的光经过光栅分光后，色散成光谱照射到其自带的CCD探测器上，CCD探测器将光谱信号转变成数字信号后通过USB连接线传输到计算机，计算机利用光谱分析软件对光谱信号进行分析，计算出光谱信号里所包含的大气吸收成分和相应的浓度，并且将光谱信号存储在计算机上；光路调节控制器连接计算机和第一反射镜的微调控制电机，计算机发出的调节指令通过光路调节控制器后，转变为相应的微调控制电机的转动步数发给控制电机，控制电机则根据接收到的转动步数转动相应的角度，从而实现第一反射镜的角度微调。
本发明中，第一反射镜2和第三反射镜4为凹面球面反射镜，第二反射镜3为平面反射镜。
本发明中，第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜4均可进行独立的水平和俯仰角度调节，以控制光路方向，当调节他们当中任何一个的角度时，最后汇聚到光纤入射端的光斑位置均会发生变化。
由于仪器工作时是处于无人值守状态，为了能够进行远程光路调节，这三块反射镜中，至少一个需要设计成可远程调节的结构。例如，将反射镜1的水平和俯仰角度的调节旋钮通过步进电机进行控制，这样就可以不在现场，通过计算机进行远程调节。当然，也可以将反射镜2或反射镜3设计成可远程调节的结构。
本发明的测量光路系统光路如下：光源1发出的光首先照射到第一反射镜2，经反射后变成平行光射向光路另一端的第二反射镜3，第二反射镜3将入射的光反射到第三反射镜4，到达第三反射镜4的光被汇聚后聚焦在光纤5的入射端，再经光纤5传播照射到光谱仪6的入射狭缝，经光谱仪6分光探测后，光谱信号经USB线传输到计算机7上进行分析和存储。
区别于现有的同轴光路系统，本发明提出的非同轴光路系统的特点在于，在第一反射镜和第三反射镜可以分别独立调整水平和俯仰角度。在单独调整第一反射镜角度时，即使第二反射镜、第三反射镜和光纤接收端的位置固定不动，仍然可以改变整个光路的传输角度，从而实现汇聚光斑在光纤入射端位置的精确调节。
附图说明
图1为本发明系统原理框图（俯视图）。
图中标号：1为光源，2为第一反射镜，3为第二反射镜，4为第三反射镜，5为光纤，其一端位于第三反射镜3的焦点，另一端连接光谱仪的入射狭缝，6为光谱仪，7为计算机，8为调节控制器，9为发射腔室，10为接收腔室。
具体实施方式
本发明提供的非同轴光路大气成分超光谱测量系统，其原理图如图1所示，主要包括由光源1和第一反射镜2组成的发射光路系统，由第三反射镜4和光纤入射端组成的接收光路系统，第二反射镜3，以及由光谱仪6、计算机8和调节控制器组成8的检测分析和控制系统。
光源1位于第一反射镜2的焦平面上，并离第一反射镜2的光轴一定距离，避免遮挡光线；光纤5的入射端位于第三反射镜4的焦点位置；第二反射镜3位于光路的另一端。
第一反射镜2、第二反射镜3和第三反射镜4都具有独立的水平和俯仰方向的微调旋钮，其中之一（例如第一反射镜2）的水平和俯仰微调旋钮由步进电机控制，可由调节控制器8远程调节水平和俯仰角度。第1反射镜2和第三反射镜4为凹面球面反射镜，第二反射镜3为平面反射镜。
光纤5的一端位于第3反射镜4的焦点位置，另一端与光谱仪6的入射狭缝相连；
系统安装调试完毕通电后，光源1发出的光照射到第一反射镜2表面，首先经过第一反射镜2反射变成平行光后射向远端的第二反射镜3，第二反射镜3将光束反射到第三反射镜4上，照射到第三反射镜4 上的光经反射后汇聚到位于其焦点的光纤5入射端，再经光纤5传输照射到光谱仪6的入射狭缝，经光谱仪分光探测后，光谱信号经USB线传输到计算机7上进行分析计算和存储。
当测量光路发射偏移时，反射镜3反射的光无法准确汇聚到光纤5的入射端，这时可远程通过计算机7和调节控制器8微调第一反射镜2的水平和俯仰微调旋钮，使得从第一反射镜2反射的光线角度发射微小偏转，再经过第二反射镜3和第三反射镜4的反射后，最后汇聚在第三反射镜4焦点的光斑可水平和上下移动，最终可使得光斑准确汇聚在光纤5的入射端。在整个调节过程中，光源1、第二反射镜3、第三反射镜4和光纤5的位置均固定不动，只调节第一反射镜2的角度即可实现光路调节，这也正是本发明提出的非同轴光路的特征体现。
本发明中，计算机得到的光谱信号主要包括按波长分布的光强信号，由于空气通过测量光路系统时，空气中的待测污染物会对光源发出的光进行选择性的吸收，在测量光谱中留下相应的吸收信号，通过对测量光谱进行滤波处理等，可以获得只包含待测物质的吸收光谱信息（吸收光谱），然后利用待测物质的标准吸收光谱与测量到的吸收光谱进行线性拟合，即可定量计算出待测物质的浓度。这种分析计算属于常规方法。
Claims (6)
1.一种非同轴光路的大气成分超光谱测量系统，其特征在于，发射端和接收端可分别单独调节光路角度，从而实现对测量光路的精确调节；包括由光源、光纤和三块反射镜组成的测量光路系统，以及由光谱仪、计算机和光路调节控制器组成的分析和控制系统；其中：
所述测量光路系统中，光源、第一反射镜、第三反射镜和光纤的接收端位于光路的一端，构成发射和接收光路系统；第二反射镜位于光路的另一端，其与发射和接收光路端之间的距离为10-1000米；
所述光源位于第一反射镜的焦平面上；光源和第一反射镜构成一个独立的发射腔室；光纤的入射端位于第三反射镜的焦点位置，第三反射镜和光纤的入射端构成一个独立的接收腔室；接收腔室与发射腔室之间用隔板隔开；作为反射光源的第一反射镜的光轴和作为汇聚反射光的第三反射镜的光轴非同轴，即两者之间有一个夹角，构成本非同轴光路系统；
所述光纤的出射端连接光谱仪，光谱仪与计算机连接；光路调节控制器分别于发射腔室和计算机连接；光谱仪将入射到其狭缝的光经过光栅分光后，色散成光谱照射到其自带的CCD探测器上，CCD探测器将光谱信号转变成数字信号后通过USB连接线传输到计算机，计算机利用光谱分析软件对光谱信号进行分析，计算出光谱信号里所包含的大气吸收成分和相应的浓度，并且将光谱信号存储在计算机上；光路调节控制器连接计算机和第一反射镜的微调控制电机，计算机发出的调节指令通过光路调节控制器后，转变为相应的微调控制电机的转动步数发给控制电机，控制电机则根据接收到的转动步数转动相应的角度，从而实现第一反射镜的角度微调。
2.根据权利要求1所述的非同轴光路的大气成分超光谱测量系统，其特征在于，第一反射镜和第三反射镜为凹面球面反射镜，第二反射镜为平面反射镜。
3.根据权利要求2所述的非同轴光路的大气成分超光谱测量系统，其特征在于，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均可进行独立的水平和俯仰角度调节，以控制光路方向，当调节他们当中任何一个的角度时，最后汇聚到光纤入射端的光斑位置均会发生变化。
4.根据权利要求3所述的非同轴光路的大气成分超光谱测量系统，其特征在于，第一反射镜的光轴和第三反射镜的光轴之间的夹角为0.01到1.2度之间。
5.根据权利要求4所述的非同轴光路的大气成分超光谱测量系统，其特征在于，所述三块反射镜中，至少一个反射镜设计成可远程调节的结构。
6.根据权利要求1-5之一所述的非同轴光路的大气成分超光谱测量系统，其特征在于，测量光路系统光路如下：光源发出的光首先照射到第一反射镜，经反射后变成平行光射向光路另一端的第二反射镜，第二反射镜将入射的光反射到第三反射镜，到达第三反射镜的光被汇聚后聚焦在光纤的入射端，再经光纤传播照射到光谱仪的入射狭缝，经光谱仪分光探测后，光谱信号经USB线传输到计算机上进行分析和存储。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102565003A (zh) * | 2011-12-22 | 2012-07-11 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 使用针孔狭缝的被动多轴差分吸收光谱仪系统 |
| JP2016133473A (ja) * | 2015-01-22 | 2016-07-25 | 株式会社トプコン | 光学分析装置 |
| CN109188451A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-01-11 | 北京径科技有限公司 | 一种激光雷达系统 |
| CN110849829A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-02-28 | 苏州智曜科技有限公司 | 一种气体浓度检测的高光谱系统 |
| CN111521995A (zh) * | 2020-05-14 | 2020-08-11 | 厦门通测电子有限公司 | 手持式激光测距仪自动校准装置 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102565003A (zh) * | 2011-12-22 | 2012-07-11 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 使用针孔狭缝的被动多轴差分吸收光谱仪系统 |
| JP2016133473A (ja) * | 2015-01-22 | 2016-07-25 | 株式会社トプコン | 光学分析装置 |
| CN109188451A (zh) * | 2018-10-15 | 2019-01-11 | 北京径科技有限公司 | 一种激光雷达系统 |
| CN110849829A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-02-28 | 苏州智曜科技有限公司 | 一种气体浓度检测的高光谱系统 |
| CN111521995A (zh) * | 2020-05-14 | 2020-08-11 | 厦门通测电子有限公司 | 手持式激光测距仪自动校准装置 |
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