雙端單基線透射式能見度儀的製作方法

2023-10-06 06:07:59

雙端單基線透射式能見度儀的製作方法
【專利摘要】本發明提出的一種雙端單基線透射式能見度儀，旨在提供一種能夠減小光學汙染對透射式能見度儀的影響，並能半定量測量自身光學汙染情況透射式能見度儀，本發明通過下述技術方案予以實現：第一組雷射器雷射束依次通過透鏡組後，經過第一分光稜鏡、λ/4波片、第二分光稜鏡、三角稜鏡折射進入保護玻璃，光束被保護玻璃分為透射光和反射光；透射光經過基線氣柱空氣，經三角稜鏡折射為待測光，待測光經第二分光稜鏡分光為垂直光進入P2功率測量系統；反射光再次經過第二分光稜鏡後反射到P1功率測量系統。第二組雷射器出射的雷射束與第一組出射的光路通過相似的傳輸途徑分別進入P4功率測量系統和P3功率測量系統，得到功率值量之間的數值關係和基線氣柱的大氣消光係數。
【專利說明】雙端單基線透射式能見度儀
[0001]【技術領域】
本發明涉及一種可直接應用於測量大氣能見度的雙端單基線透射式能見度測量系統。
[0002]【背景技術】
透射式能見度檢測儀是測量道路能見度和隧道內煙霧濃度的高效反應類可攜式測試儀器，具有良好的數據處理、人性化的界面和輸出功能，可實時提供給用戶所需道路該區域內的能見度值和隧道內的煙霧濃度，同時具有數據保存及完整的數據後期處理分析功能。目前主要的透射式能見度儀器主要採用分離模式的發射端和接收端，或者發射接收端一體再配合一個反射端的模式，均採用單個光源，單個或雙個功率測量系統，基於角反射器的單端透射式能見度儀。因其理論完備性、成熟性，通常被作為是能見度測量標準測試設備，也常被用於校準和標定其他能見度探測儀器。該檢測儀測量過程主要是通過測量光束通過一條固定的基線後的功率值的衰減量，以此測量固定基線上的大氣消光參數，再通過公式得到能見度值。近年來出現了各種能夠測量能見度的儀器設備，這些設備通過測試能見度的相關參量來推算能見度，其中包括透射式、前向散射式和後向散射式。透射式能見度儀又稱為透射計、透射表，常被用於機場作為跑道視程的測量手段，透射式能見度儀，以厚度等於「基線」長度的氣柱為樣本。其工作原理是基於光輻射在大氣傳輸中的透射比(透過率)測量，通過光對大氣中多種消光粒子的透射，獲取消光係數的數值，進而判定天氣現象。透射式能見度儀可分為分體式和一體式兩種。散射式能見度儀的工作原理是:儀器的發射器發出紅外光輻射，對其臨近的大氣樣本進行照射，大氣樣本中固、液、氣態懸浮粒子對照射光輻射產生散射，散射量大小與懸浮粒子的尺寸和濃度相關，懸浮粒子的尺寸和濃度又與大氣能見度相關，散射式能見度儀的接收器探測某一方向的散射信號，並根據具體角度上的散射信號與總散射量的關係確定總散射係數，最後按公式計算大氣能見度。但由於入射光功率因為沒有監控，會導致最後測量結果出現偏差。
[0003]通常透射式能見度檢測儀的光路可分為望遠鏡部分、雷射發射部分和雷射接收部分三部分，採用三軸共軸的光學結構，即望遠鏡光路，發射光路，接收光路完全共軸。傳統的能見度觀測方法主要還是以人眼目測為主，而且與人眼的視覺生理有關，是一個與人的視覺因素結合在一起的複雜的心理一物理現象。目前透射式能見度儀不方便照準目標，而且需要固定基線和合作目標。由於理論原理和測量方案，相比於其他能見度測量設備，透射式能見度儀最易受光學汙染，而導致測量精度下降。光學玻璃汙染主要發生在保護玻璃與空氣的接觸面上，光學汙染會破壞接觸面的透過率α。
[0004]本發明是基於透射式能見度儀原理提出了一種新型的測量原理和裝置。
[0005]
【發明內容】

本發明的目的針對上述現有技術易受光學汙染，導致測量精度下降的不足之處，提供一種能夠減小光學汙染對透射式能見度儀的影響，並能半定量測量自身光學汙染情況，同時還能監控自身光路的失調情況的雙端單基線透射式能見度儀。
[0006]本發明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種雙端單基線透射式能見度儀，包括放置於兩個埠上的兩臺相同模式的雷射器和分別通過穩功儀、衰減片、偏振片進入聚焦特性的透鏡組，且兩臺雷射器分為兩組共軸光路，其特徵在於:第一組光路上的第一雷射器21雷射束依次通過第一穩功儀20、第一透鏡組19後,經過第四分光稜鏡18、第一 λ/4波片17、第一分光稜鏡16、第一三角稜鏡23折射進入第一保護玻璃22,—部分雷射束通過保護玻璃透射，透射光經過基線長度為L的基線氣柱13進入大氣，同時透射到第二組光路下方的第二保護玻璃12，經45°第二三角稜鏡11折射為平行光，平行光經第二分光稜鏡10分光為90°垂直光進入P2功率測量系統5 ;另一部分雷射束被從第一保護玻璃22反射，反射光依次經過第一三角稜鏡23、第一分光稜鏡16第一 λ/4波片17、第四分光稜鏡18反射到P1功率測量系統6，第二組光路上的第二雷射器I出射的雷射束與第一組出射的光路通過相似的傳輸途徑分別進入P4功率測量系統和P3功率測量系統，從而測量得到上述四項不同的功率值，通過計算測量得到的功率值量之間的數值關係，得到基線氣柱的大氣消光係數，經過迭代計算後得到能見度值。
本發明相比於現有技術具有如下有益效果。
[0007]本發明基於透射式水平能見度的測量原理，提出雙端單基線透射式能見度儀，創造性地將現有技術的單個發射系統和單個或兩個功率測量系統改為兩個發射系統和四套功率測量系統，測試結果得出，兩路光路往返增加了水平氣柱樣本長度，擴大了能見度測量範圍，有效提高了能見度測量精度。在保持現有技術結構緊湊的情況下，有效的將光學汙染導致的誤差大幅度減小。並且通過內部光功率的比較計算，獲得了光學窗口汙染情況的半定量結果，並且能夠監控內外光路的失調情況。通過比對實驗、理論分析和溯源校準，測試結果給出大氣能見度實測結果，定量計算顯示，能見度測量範圍為0.1km~20km，在橫向風速小於5m/s時,能見度在0.1km到5km範圍內測量誤差優於10%,能見度在6km到12km範圍內測量誤差優於18%，能見度在13km到20km範圍內測量誤差優於20%，與國外能見度儀的測量結果相關係數R為0.9904。在P1和P3埠測量結果與原始值誤差小於50%時，光學汙染導致的能見度測量誤差小於3%。解決了現有透射式能見度系統對光學汙染敏感，不能適應靶場、機場、野外等氣候惡劣、清洗困難的環境工作的難題。
[0008]本發明通過鬥組功率測量系統得到的功率值^士丄丄之間的數值關係』可以分別求取得到待測量的能見度值，光學保護玻璃窗口的光學汙染情況，避免或減小了光學汙染導致的能見度測量誤差。
[0009]本發明雙端出射光功率起伏控制在0.2%以內，出口光斑口徑Φ30mm，透鏡組焦距為287m，波長532nm，4組功率計測量相對誤差小於0.5%，可放置基線範圍為200m到270m之間，能見度測量範圍為IOOm~23000m。
[0010]本發明4套功率計測量結果相互計算得到能見度值，進一步避免或減少了光學窗口汙染導致的測量誤差。
[0011]本發明利用其中2套功率計P1和P3測量結果進行計算後與標定值進行比較，並通SPjPP3測量結果的差值關係，可以發現雷射輸出功率是否出現失調和異常現象和得到光學保護玻璃與空氣接觸面的汙染情況，以此判斷測量誤差和提醒清洗。
[0012]本發明對4套功率測量系統通過相互比對實驗得到相互測量結果的校準曲線，可保證4套功率測量結果相對誤差小於0.4%。
[0013]本發明採用由第二透鏡組(3)組成的聚焦光學系統的光學系統，遠場焦點尺寸小，光斑抖動絕對值小，光強起伏小。通過採用了雷射器和穩功儀，使得輸出功率的穩定性優於0.2%。
[0014]本發明PpP2、P3和P4功率測量系統採用漫透射材料和光電探測進行測量，測量得到的功率值分別為Ip 12、13、I4，功率計設計了同步觸發採集，採集速度為10Hz，同步性優於lms，保證了採集的同時性；雷射器採用波長為532nm的固體連續雷射器，通過穩功儀後功率穩定性優於0.2% ;聚焦透鏡組帶聚焦模式，除離焦項後波前畸變優於λ /12 (PV)，出口口徑為 Φ25ι?πι。
[0015]本發明與傳統透射式能見度儀相比該裝置受光學誤差影響小，能夠在不清洗狀態下連續工作60天以上，能夠對自身系統光學汙染情況進行監控，採用了比較成熟的半導體雷射技術、光電轉換探測技術、信號數位化處理技術，成本較低，不需要額外的溫度控制就能在-40~60°C環境下工作，非常適用於適應靶場、機場、野外等氣候惡劣、清洗困難的環境工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發明雙端單基線透射式能見度儀光路結構示意圖。
[0017]圖2是本發明不同能見度與橫向風速的實驗結果相對誤差曲線示意圖。
[0018]圖3是本發明長期穩定性的實驗結果曲線示意圖。
[0019]圖4是本發明功率探測系統P1和P3相對於原始值得誤差曲線示意圖。
[0020]圖中:I第二雷射器，2第二穩功儀，3第二透鏡組，4P3功率測量系統，5P2功率測量系統，6Pi功率測量系統，7P4功率測量系統，8第三分光稜鏡，9第二 λ /4波片，10第二分光稜鏡，11第二三角稜鏡，12第二保護玻璃，13基線氣柱，14Α埠，15Β埠，16第一分光稜鏡，17第一 λ/4波片，18第四分光稜鏡，19第一透鏡組,20第一穩功儀,21第一雷射器
【具體實施方式】
`[0021]參閱圖1。在以下描述的一個`最佳實施例中，雙端單基線透射式能見度儀包含了 2臺雷射器、2臺穩功儀、2套衰減片、2組濾光保護玻璃、2組分光稜鏡、2組三角稜鏡、4組功率測量系統、2套電氣系統、I套數據採集分析系統、2組聚焦透鏡系組、2片λ /4波片和兩個埠的機械結構。兩臺相同模式連續的第二雷射器I和第一雷射器21放置於兩個埠上，A埠 14、Β埠 15上的雷射器I分別通過第二穩功儀2、衰減片、偏振片後進入聚焦特性的第二透鏡組3，其中一組雷射光束通過第二透鏡組3後，依次經過第三分光稜鏡8、第二 λ /4波片9、第二分光稜鏡10，再經過第二三角稜鏡11折射進入第二保護玻璃12，然後光束一部分透射後形成透射光，另一部分反射後形成反射光。透射光經過長度為L的基線氣柱13的大氣，透射光經過基線氣柱13空氣後，大氣透射光通過第二保護玻璃12經45°第二三角稜鏡10折射為平行光，平行光經第一分光稜鏡16分光為90°垂直光進入P2功率測量系統7 ;而反射光從第二保護玻璃12反射後，依次經過第二三角稜鏡11、第二分光稜鏡10、第二 λ/4波片9、第三分光稜鏡8反射到功率測量系統4。同理,另一組第一雷射器21出射的光路與第一組第二雷射器I出射的光路通過相似的傳輸途徑分別進入功率測量系統5和功率測量系統6。P1,P2^P3和P4功率測量系統均是採用漫透射材料和光電探測進行測量，測量得到的功率值分別為1、12、13、14。第二保護玻璃12外層與空氣接觸面鍍有透過率為Ci1的反射膜。光學保護玻璃進行了雙面鍍膜，光學保護玻璃的設備內表面對532nm波長鍍40%的反射膜，對其餘400nm~I IOOnm波長鍍30dB的反射膜；光學保護玻璃在與空氣接觸面對532nm鍍99%的增透膜，對其餘400nm~IlOOnm鍍30dB的反射膜。功率測量系統4與功率測量系統5以及另一組光路上的功率測量系統6與功率測量系統7分別位於第三分光稜鏡8、第四分光稜鏡18和第二分光稜鏡10、第一分光稜鏡16的上方。第二 λ/4波片9和第一 λ/4波片17分別位於第三分光稜鏡8、第四分光稜鏡18和第二分光稜鏡10、第一分光稜鏡16之間。
[0022]通過光學玻璃鍍膜的係數值，可以推算得到以下公式(I) - (4)，
Ιο? α I = k4I4 (I)
101 a jexp (_a0L) a2 = k2I2 (2)
I(i2 α 2 — k3I3(3)
Ι02α 2exp(_a 0L) a I = Ic1I1 (4)
其中Icu和12分別是兩個雷射器通過穩功率儀後的光功率，h、k2、k3、k4分別是光電轉換係數，是大氣對特定波長的消光係數，L是基線氣柱長度，\和Ci2分別是兩保護玻璃與空氣接觸面的透射率係數，exp為高等數學裡以自然對數e為底指數函數。將公式
(I)- (4)進行相互代入計算後可以得到消光係數的計算公式(5)，
【權利要求】
1.一種雙端單基線透射式能見度儀，包括放置於兩個埠上的兩臺相同模式的雷射器和分別通過穩功儀、衰減片、偏振片進入聚焦特性的透鏡組，且兩臺雷射器分為兩組共軸光路，其特徵在於:第一組光路上的第一雷射器(21)雷射束依次、第一穩功儀(20)通過透鏡組(19)後,經過第四分光稜鏡(18)、第一 λ /4波片(17)、第一分光稜鏡(16)、第一三角稜鏡(23)折射進入第一保護玻璃(22)，一部分雷射束通過保護玻璃透射，透射光經過基線長度為L的基線氣柱(13)進入大氣，同時透射到第二組光路下方的第二保護玻璃(12)，經45°第二三角稜鏡(11)折射為平行光，平行光經第二分光稜鏡(10))分光為90°垂直光進入P2功率測量系統(5);另一部分雷射束被從第一保護玻璃(22)反射，反射光依次經過第一三角稜鏡(23)、第一分光稜鏡(16)、第一 λ /4波片(17)、第四分光稜鏡(18)反射到P1功率測量系統(6)，第二組光路上的第二雷射器(I)出射的雷射束與第一組出射的光路通過相似的傳輸途徑分別進入P4功率測量系統和P3功率測量系統，從而測量得到上述四項不同的功率值，通過計算測量得到的功率值量之間的數值關係，得到基線氣柱的大氣消光係數，經過迭代計算後得到能見度值。
2.如權利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特徵在於:Ρ3功率測量系統(4)與P2功率測量系統(5)以及另一組光路上的P1功率測量系統(6)與P4功率測量系統(7)分別位於第三分光稜鏡(8)和第二分光稜鏡(10))的上方。
3.如權利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特徵在於:第二λ/4波片(9)位於第三光稜鏡(8)和第四分光稜鏡(18)之間。
4.如權利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特徵在於:第一λ/4波片(17)位於第二分光稜鏡(10)、第一分光稜鏡(16)之間。
5.如權利要求1或2所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特徵在於:第一組光路上的第二保護玻璃(12)和基線氣柱(13)與第一組光路上的第二保護玻璃(12)和基線氣柱(13)相互平行。
6.如權利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特徵在於:第二保護玻璃(12)外層與空氣接觸面鍍有透過率為Ci1的反射膜。
7.如權利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特徵在於:光學保護玻璃在與空氣接觸面對532nm鍍99%的增透膜，對其餘400nm~IlOOnm鍍30dB的反射膜。
8.如權利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特徵在於:ΡρP2> P3和P4功率測量系統測量得到的功率值分別為Ip 12、13、I4，分別通過公式計算得到測量的能見度值

9.如權利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特徵在於:功率測量系統(4)與功率測量系統(5)以及另一組光路上的功率測量系統(6)與功率測量系統(7)分別位於第三分光稜鏡(8)、第四分光稜鏡(18)和第二分光稜鏡(10)、第一分光稜鏡(16)的上方。
10.如權利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特徵在於=PpPyP3和P4功率測量系統測量得到的功率值分別為Ip 12、13、I4，分別通過下述公式(6)計算得到測量的能
【文檔編號】G01N21/59GK103674905SQ201310660536
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月9日 優先權日:2013年12月9日
【發明者】趙琦, 樊紅英, 蔣澤偉, 孟慶安, 張 浩, 胡紹雲 申請人:西南技術物理研究所