TWI414777B - The construction of laser telemetry pollutants - Google Patents

Description

雷射遙測污染物之構造

本發明係有關一種應用於雷射遙測污染物之構造，為一種藉由偵測拉曼位移波數之回饋作為比較之基礎，以取得污染物監控之相關特性資料者。

習用污染物偵測技術，其係採用氣體分析儀進行污染氣體成份分析與監控，其中氣體分析儀必須放置於待測空間一定範圍內，機動性及便利性大幅受限，移動式偵測所需時間及設備成本皆相當高，降低了在使用上之效能與經濟效益，在產業應用上缺乏專屬性。

爾後，雖有採雷射遙測之技術以進行污染氣體成份分析與監控，但其在設備上之結構複雜性與裝置體積均無法獲得有效之精進，使得同樣在經濟效益與使用便利性上受到局限之情況，無法得到具體之改善。

上述習用污染物偵測技術之最大的缺點在於：

1.氣體分析儀必須隨待測污染氣體之分佈空間作機動性之移動，方能進行有效之取樣分析。

2.採用氣體分析儀進行偵測時，無法確知污染氣體之空間、時間與濃度等特性之對應關係。

3.傳統雷射遙測技術之結構複雜性高，初期建置成本高且維護不易，同時佔去過多之空間。

4.傳統雷射遙測技術之組件結構複雜，精度須藉由精密之持續校正與調整，方能有效維持。

前述所提及關於習用污染物偵測技術，儘管能夠達成在污染物偵測方面所應具備之及基本要求與成效，但在實際應用於時之使用效能、經濟效益以及產業應用專屬性上，皆存在諸多缺點與不足的情況下，無法發揮更具體之產業應用性。

光達(Light detection and Ranging)為直接利用待測位置的介質作為散射體，接收其背向散射光訊號，達到測量介質特性的目的。由於系統不需外加任何之反射裝置，因而系統具有遙測的功能。概括而言，散射光訊號僅能提供兩種訊息，一為接收訊號的相位，一為接收訊號的強度。前者訊號包含著待測位置距離或速度之性質，而後者則被做成分分析之依據。由於散射訊號中帶有光與介質交互作用機制的訊息，若能探討該種作用對於訊號強度所造成之影響，再經由適當之儀器予以接收、處理、分析後，便能測知待測位置介質的物理特性〔如吸收率、粒子大小、濃度...等〕或化學組成或待測環境的大氣參數〔如風速、溫度、能見度、雲層高度等〕。如何在待測性質或參數與接收訊號強度變化之間尋求適當之交互作用機制是雷射遙測系統設計與應用的原則，事實上，能夠產生而且目前廣被採用的雷射光與待測介質交互作用的機制相當多，由於使用之作用機制不同，各種型態的雷射遙測系統在設計與用途上亦有很大的差異。

隨著每一部分的更新，雷射遙測系統的功能與應用範 圍在持續的改進與增加中。所以雷射遙測系統是高科技累積下的產物，它是由目前在光電、機械、電子、雷射、光學、電腦等尖端技術加以整合而成的結晶。

雷射遙測是以雷射作為工具的一種遙測技術。1962年，McClung和Hellwarth的發明使遠距光學探測受到注目。雷射之所以應用在測量術乃是基於雷射光的高度單調性及平行性，或產生極短脈衝的可能性。測量術因雷射的加入，可使測量術精確度提高好幾級。基本的雷射遙測系統可能包含下列子系統：

1.發射系統。

2.接收系統與感測系統。

3.定向系統。

4.控制和數據處理系統。

5.裝載系統。

本發明係以解決習用技術在使用效能、經濟效益以及產業應用專屬性不足之缺點，以及在實用化技術等方面受到限制之問題，一方面在達成提升機動性之反應效能與強化偵測品質之性能為首要目的，另一方面在提升數據對應效能與增進組件之耐用壽命、結構設計之簡化與設備體積輕量化方面之功能性、適用性及應用範圍，以達成所應具備之污染物偵測基本功能外，並使其兼具產業應用性之實際發展與要求。

所以不論由主客觀條件觀之雷射遙測污染物的構造與方法之技術，在目前國內外專利中，確實無相關可與本發 明簡單且具優勢之結構技術，且有效應用於污染氣體偵測與監控之領域相並論者，具備市場無可取代之技術之優勢，極適合應用於污染氣體偵測與監控產業等設備市場，勢必可以帶來污染氣體偵測與監控產業設備生產與製造產業相關市場之莫大商機。

本發明係採雷射光束遙測污染物之原理，以拉曼位移波數之回饋作為比較之基礎，以取得污染物之相關特性資料，其基本構造與操作步驟如下所述：一種雷射遙測污染物之構造，其係包括：發射模組，包含雷射發射器及至少一雷射束操控鏡，雷射發射器係發射雷射束至一待測空間。

接收模組，係組設於發射模組之平行側邊，包含望遠鏡、光圈及透鏡，望遠鏡接收經待測空間反射之散射光訊號，散射光訊號依序穿透光圈及透鏡。

濾鏡模組，係組設於接收模組後方，包含濾鏡與濾鏡載盤，濾鏡係組設於濾鏡載盤上，濾鏡通過來自接收模組之散射光訊號。

光電倍增管，係組設於濾鏡模組後方，光電倍增管接收來自濾鏡模組之散射光訊號且轉為電流之脈衝訊號。

定位模組，包含機台及驅動馬達，驅動馬達動力連結機台，以同步連動組設於機台上之發射模組、接收模組、濾鏡模組及光電倍增管。

分析模組，包含暫態記錄器及電腦，分析模組係與光電倍增管電性連接。

上述發射模組及分析模組進一步分別設有光電偵檢器，以作為計時之用。

上述濾鏡載盤進一步設有單一濾鏡槽，可以手動更換不同頻寬之濾鏡。

上述濾鏡載盤進一步設有複數濾鏡槽，複數濾鏡槽同時分別組設不同頻寬之濾鏡，且濾鏡載盤可自動轉動更換不同頻寬之濾鏡。

上述定位模組之驅動馬達係同步連動機台上之發射模組、接收模組、濾鏡模組及光電倍增管作線性移動及轉動。

一種雷射遙測污染物之方法，其係包括：

(a)發射定向或可動雷射。

(b)以待測空間為散射體產生背向散射光訊號。

(c)散射光訊號返回。

(d)接收模組接收散射光訊號。

(e)濾鏡濾除雜訊光。

(f)光電倍增管光訊號放大及轉換。

(g)分析模組分析氣體成份。

(h)分析結果輸出。

上述定向雷射係單點偵測。

上述可動雷射係多點偵測。

上述待測空間可為開放之天空空間或封閉之室內空間之任一種。

上述散射光訊號內包含拉曼位移波數之回饋。

上述濾鏡濾除之雜訊光係天空之背景光，且不同頻寬 之濾鏡可偵測不同氣體存在之空間與時間分佈。

本發明之具體特點與功效在於：

1.毋須隨待測污染氣體之分佈空間作機動性之移動，就能進行有效之取樣分析。

2.經末端之分析模組可以確知污染氣體之空間、時間與濃度等特性之對應關係。

3.單調性雷射遙測技術之結構複雜性低，初期建置成本不高且易於維護，所佔體積相對減少。

4.單調性雷射遙測技術之組件結構簡化，精度不須時常校正與調整，亦能有效維持。

5.可對開放之天空空間或封閉之室內空間等待測空間，進行多點及多氣體模式之偵測監控。

本發明可實際應用於：

1.固定基地式或移動車輛式為主之系統。

2.船舶、飛機、太空梭等載具為主之系統。

3.空氣污染及環境保護之相關檢測。

4.大氣結構或動力性質、特殊物質探勘〔如海面浮油厚度及分佈測量〕。

如第一、二圖所示，本發明係一種雷射遙測污染物之構造，其係包括：發射模組(1)，包含雷射發射器(11)及至少一雷射束操控鏡(12)，通常設有二雷射束操控鏡(12)〔方位係相互垂直，即直角〕，以使雷射束(111)經二次反射，與 原始雷射發射器(11)所發射之雷射束(111)平行，雷射發射器(11)所發射之雷射束(111)係射向待測空間(7)；發射模組(1)進一步分別設有光電偵檢器(13)，以作為計時〔時間起始點；initial state〕之用。

接收模組(2)，係組設於發射模組(1)之平行側邊，包含望遠鏡(21)、光圈(22)及透鏡(23)，望遠鏡(21)接收經待測空間(7)反射之散射光訊號(8)，散射光訊號(8)依序穿透光圈(22)及透鏡(23)。

濾鏡模組(3)，係組設於接收模組(2)後方，包含濾鏡(31)與濾鏡載盤(32)，濾鏡(31)係組設於濾鏡載盤(32)上，濾鏡(31)通過來自接收模組(2)之散射光訊號(8)；依濾鏡(31)更換之方式可區分為：手動模式(31)：濾鏡載盤(32)進一步設有單一濾鏡槽(321)，可以手動更換不同頻寬之濾鏡(31)，如第三圖所示，可根據分析測量之氣體成份種類，自濾鏡槽(321)以手動裝卸方式更換合適頻寬之濾鏡(31)〔對準光電倍增管(4)之偵測面〕。

自動模式：濾鏡載盤(32)進一步設有複數濾鏡槽(321)，複數濾鏡槽(321)同時分別組設不同頻寬之濾鏡(31)，且濾鏡載盤(32)可自動轉動更換不同頻寬之濾鏡(31)，如第四圖所示，可根據分析測量之氣體成份種類，由電腦(62)〔另請參閱第二圖〕控制濾鏡載盤(32)轉動至合適頻寬之濾鏡(31)〔對準光電倍增管(4)之偵測面〕。

光電倍增管(4)，係組設於濾鏡模組(3)後方，光電倍增管(4)接收來自濾鏡模組(3)之散射光訊號(8)經放大且轉為電流之脈衝訊號。

定位模組(5)，包含機台(51)及驅動馬達(52)，驅動馬達(52)動力連結機台(51)，以同步連動組設於機台上(51)之發射模組(1)、接收模組(2)、濾鏡模組(3)及光電倍增管(4)。

定位模組(5)之驅動馬達(52)係同步連動組設於機台上(51)之發射模組(1)、接收模組(2)、濾鏡模組(3)及光電倍增(4)管作線性移動〔雙軸向移動〕及轉動〔雙軸向轉動〕，如第五圖所示。

分析模組(6)，包含暫態記錄器(61)；分析模組(6)進一步分別設有光電偵檢器(611)，以作為計時〔時間終止點；final state〕之用及電腦(62)，分析模組(6)係與光電倍增管(4)電性連接，以分析光電倍增管(4)所轉換之電流脈衝訊號，進而分析氣體之特性參數。

關於計時方面，雷射發射器(11)發出一道短脈衝〔一般約為3x10^-9 秒左右〕，裝置於發射模組(1)之光電偵檢器(13)〔PD1〕即開始計時，脈衝經時間t=2L/c〔L：待測物距離，c：光速〕後返回到接收之望遠鏡(21)上，此時裝置於分析模組(6)之光電偵檢器(611)〔PD2〕即停止計時，並記錄返回訊號。

如第六圖所示，利用非彈性散射〔Inelastic scattering〕或拉曼〔Raman〕散射原理監測污染物之空間 和時間分佈；非彈性散射又分為反史托克拉曼散射〔Anti-Stokes Raman scattering〕和史托克拉曼散射〔Stokes Raman scattering〕，兩者間差異於有相同能量差〔±h ν〕，還有頻率譜線與入射光頻率是對稱性關係。反史托克拉曼散射：散射光的頻率是相對入射光增加時，稱為反史托克拉曼散射(強度弱，不易被看到，頻率高)。史托克拉曼散射：散射光的頻率相對入射光減少時，稱為史托克拉曼散射。在室溫下大部分的分子處於低能態，故大部分的散射為屬於史托克散射。觀察拉曼散射主要來自史托克散射光強度，為實驗主要觀察的〔強度強，易觀察，頻率低〕。拉曼雷射遙測系統是量測分子對雷射光產生的拉曼散射訊號，並且不同分子對雷射光有不同的拉曼位移波數〔wave number〕。

因此我們只需量測污染物或大氣物質對雷射光產生的拉曼位移即可得知所需探測物質的空間與時間分佈。我們將此雷射遙測系統〔另請參閱第二圖〕加裝驅動馬達(52)即可使發射模組(1)和接收模組(2)進行空間掃瞄，再利用可自動替換之可轉動濾鏡(31)〔Rotational filters〕，即可獲得不同所需的探測物質之空間和時間分佈。

如第七圖所示，一種雷射遙測污染物之方法，其係包括：〔下述技術數據僅止於某一特定之實施例之說明，非局限本發明之應用範疇；另請同時參閱第二圖〕

(a)發射定向或可動雷射：Nd：YAG雷射之雷射發射器(11)在發出波長為1064 nm的紅外脈衝偏振雷射時會產 生一個與雷射同步的脈衝訊號〔Trigger〕，以觸發分析模組中所設之暫態記錄器(61)〔Transient Recorder〕開始作光子計數。1064 nm的紅外脈衝偏振雷射的寬度約為6-8 ns，在經過倍頻晶體之後成為532 nm的綠光。

若採定向雷射則係為單點偵測，若採可動雷射則係為多點偵測，二者皆必須配合定位模組連動〔i〕〔另請參閱第五圖〕產生單點或多點定位，方能作有效之偵測。

(b)以待測空間(7)為散射體產生背向散射光訊號(8)：雷射以雷射束操控鏡(12)導引至天空之待測空間(7)〔待測空間(7)可為開放之天空空間或封閉之室內空間之任一種〕前。先經過雷射束操控鏡(12)〔Laser beam steering mirror〕調整角度〔即二次反射〕以使雷射束(111)的方向與望遠鏡(21)的光軸相同〔即平行〕。

(c)散射光訊號(8)返回：返回之方位與雷射束(111)之方向相反但平行；散射光訊號(8)內包含拉曼位移波數之回饋。

(d)接收模組(2)接收散射光訊號(8)：雷射束(111)的大氣背向散射光訊號(8)以焦距為200 cm的17.5”望遠鏡(21)接收，並在焦距附近使用2mm的光圈(22)〔Field stop〕以限制望遠鏡(21)的視野為1 mrad左右；同時望遠鏡(21)所接收的散射光訊號(8)以透鏡(23)〔Collimating Lens〕調整為平行光。

(e)濾鏡(31)濾除雜訊光：通過頻寬為1 nm的濾鏡(31)〔Filter〕以濾除天空的背景光；濾鏡(31)所 濾除之雜訊光係天空之背景光，且不同頻寬之濾鏡(31)可偵測不同氣體存在之空間與時間分佈。

(f)光電倍增管(4)光訊號轉換：光路終點的光電倍增管(4)〔PMT〕將散射光訊號(8)放大及轉為電流的脈衝訊號〔即光電子訊號〕，光電倍增管(4)的電壓分配電路依照接收散射訊號強弱，設計為光子計數(photon counting〕或電流類比模式。因此光電倍增管(4)所產生的光電子脈衝數目基本上正比於光電倍增管(4)所接收到的光子數。

(g)分析模組(6)分析氣體成份：將光電倍增管(4)產生的光電子訊號轉成電壓脈衝訊號〔以利訊號的遠距傳輸與計數〕後傳送至暫態記錄器(61)。暫態記錄器(61)將光電子脈衝訊號累加之後按照接收的時間置放在對應的時間頻道中，如此就可以得到在不同時間返回望遠鏡(21)的散射光訊號(8)之強度，而由於光子是以光速折返，因此在不同的時間所得到的訊號就是在不同高度的散射光強度。光電子脈衝訊號在累積至一定的時間之後傳送至電腦(62)〔即PC〕，予以儲存及運算。

(h)分析結果輸出：得知所需探測物質的空間與時間分佈。

綜合上述，本發明係針對雷射遙測污染物之構造與方法之應用技術，特指一種藉由發射模組(1)、接收模組(2)、濾鏡模組(3)、光電倍增管(4)、定位模組(5)及分析模組(6)之組合與連動，以雷射光束遙測污染物之原理，經拉曼位移波數之回饋作為比較之基礎，以取得污染物之 相關特性資料，作一最佳之改良與設計，為本發明對於雷射遙測污染物之構造與方法所作最具體之精進。

(1)‧‧‧發射模組

(11)‧‧‧雷射發射器

(111)‧‧‧雷射束

(12)‧‧‧雷射束操控鏡

(13)‧‧‧光電偵檢器

(2)‧‧‧接收模組

(21)‧‧‧望遠鏡

(22)‧‧‧光圈

(23)‧‧‧透鏡

(3)‧‧‧濾鏡模組

(31)‧‧‧濾鏡

(32)‧‧‧濾鏡載盤

(321)‧‧‧濾鏡槽

(4)‧‧‧光電倍增管

(5)‧‧‧定位模組

(51)‧‧‧機台

(52)‧‧‧驅動馬達

(6)‧‧‧分析模組

(61)‧‧‧暫態記錄器

(611)‧‧‧光電偵檢器

(62)‧‧‧電腦

(7)‧‧‧待測空間

(8)‧‧‧散射光訊號

第一圖：本發明實施構造之系統示意圖。

第二圖：本發明實施構造之結構示意圖。

第三圖：本發明之手動濾鏡載盤結構示意圖。

第四圖：本發明之自動濾鏡載盤結構示意圖。

第五圖：本發明之定位模組同步連動結構示意圖。

第六圖：本發明之反史托克拉曼散射及史托克拉曼散射示意圖。

第七圖：本發明實施方法之流程步驟示意圖。

(1)‧‧‧發射模組

(11)‧‧‧雷射發射器

(111)‧‧‧雷射束

(12)‧‧‧雷射束操控鏡

(13)‧‧‧光電偵檢器

(2)‧‧‧接收模組

(21)‧‧‧望遠鏡

(22)‧‧‧光圈

(23)‧‧‧透鏡

(3)‧‧‧濾鏡模組

(31)‧‧‧濾鏡

(32)‧‧‧濾鏡載盤

(4)‧‧‧光電倍增管

(5)‧‧‧定位模組

(51)‧‧‧機台

(52)‧‧‧驅動馬達

(6)‧‧‧分析模組

(61)‧‧‧暫態記錄器

(611)‧‧‧光電偵檢器

(62)‧‧‧電腦

Claims (5)

1. 一種雷射遙測污染物之構造，其係包括：發射模組，包含雷射發射器及至少一雷射束操控鏡，雷射發射器係發射雷射束至一待測空間；接收模組，係組設於發射模組之平行側邊，包含望遠鏡、光圈及透鏡，望遠鏡接收經待測空間反射之散射光訊號，散射光訊號依序穿透光圈及透鏡；濾鏡模組，係組設於接收模組後方，包含濾鏡與濾鏡載盤，濾鏡係組設於濾鏡載盤上，濾鏡通過來自接收模組之散射光訊號；光電倍增管，係組設於濾鏡模組後方，光電倍增管接收來自濾鏡模組之散射光訊號經放大且轉為電流之脈衝訊號；定位模組，包含機台及驅動馬達，驅動馬達動力連結機台，以同步連動組設於機台上之發射模組、接收模組、濾鏡模組及光電倍增管；分析模組，包含暫態記錄器及電腦，分析模組係與光電倍增管電性連接；其中發射模組及分析模組進一步分別設有光電偵檢器，以作為計時之用。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射遙測污染物之構造，其中濾鏡載盤進一步設有單一濾鏡槽，可以手動更換不同頻寬之濾鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射遙測污染物之構 造，其中濾鏡載盤進一步設有複數濾鏡槽，複數濾鏡槽同時分別組設不同頻寬之濾鏡，且濾鏡載盤可自動轉動更換不同頻寬之濾鏡。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射遙測污染物之構造，其中定位模組之驅動馬達係同步連動機台上之發射模組、接收模組、濾鏡模組及光電倍增管作線性移動及轉動。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射遙測污染物之構造，其中待測空間可為開放之天空空間或封閉之室內空間之任一種。