雷電高速光度計的製作方法
2023-07-06 16:34:51 1
雷電高速光度計的製作方法
【專利摘要】本發明涉及氣象檢測【技術領域】，尤其涉及一種雷電高速光度計。該雷電高速光度計包括光學成像單元、多通道光纖束傳輸單元、光電轉換單元及多通道信息記錄單元；多通道光纖束傳輸單元與光學成像單元的焦平面連接，將光學成像單元採集的雷電通道光信息快速轉換為電信號，然後該電信號傳輸至多通道信息記錄單元，由多通道信息記錄單元進行採樣記錄，從而可得到雷電通道的光強和光強變化信息，進而可得到更高時間解析度的雷電通道發展過程光學信息，且本發明結構簡單緊湊，探測效率高。
【專利說明】雷電高速光度計
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及氣象檢測【技術領域】，尤其涉及一種雷電高速光度計。
【背景技術】
[0002]雷電是自然界中大氣的放電現象，對雷電進行監測，提供雷電災害預警信息，對雷電災害的防護具有重要意義。眾所周知，雷電放電的先導過程的發展速度為lX106m/s量級，而回擊過程的發展速度達到I X 108m/s量級，針對雷電放電通道發展過程的進行有效的光學觀測並非易事，以往都是採用高速CCD或CMOS (互補金屬氧化物半導體)傳感器構成的高速相機進行雷電的觀測，但受到CCD和CMOS器件固有的積分時間和讀出速度限制，雷電，傳統的高速相機無法獲得高時間解析度的雷電放電通道發展過程光學觀測資料，從而無法有效監測雷電。
[0003]因此，針對以上不足，本發明提供了一種雷電高速光度計。
【發明內容】
[0004](一)要解決的技術問題
[0005]本發明的目的是提供一種能有效檢測雷電通道的雷電高速光度計以提供更高時間解析度的雷電通道發展過程的光學觀測資料。
[0006](二)技術方案
[0007]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種雷電高速光度計，其包括光學成像單元、多通道光纖束傳輸單元、光電轉換單元及多通道信息記錄單元；所述光學成像單元用於採集雷電通道的光信號；所述多通道光纖束傳輸單元的一端連接到光學成像單元的焦平面上，另一端連接到光電轉換單元上，用於將光學成像單元採集的光信號傳遞至光電轉換單元；所述光電轉換單元用於將光信號快速轉換為電信號；所述多通道信息記錄單元與所述光電轉換單元連接，用於接收光電轉換單元傳來的電信號並記錄雷電通道的光強和光強變化信息。
[0008]其中，所述光學成像單元為單鏡頭反光式光學照相機；所述多通道光纖束傳輸單元包括多根光纖束，多根光纖束均連接到單鏡頭反光式光學照相機的焦平面上，多根光纖束的連接端在單鏡頭反光式光學照相機的焦平面上形成陣列排布。
[0009]其中，所述光電轉換單元包括多個雪崩光電二極體，每個雪崩光電二極體與相應的多通道光纖束傳輸單元的每根光纖束連接。
[0010]其中，所述每個雪崩光電二極體與相應的一根光纖束通過一耦合器連接。
[0011]其中，所述多通道信息記錄單元為高速多通道採集記錄儀。
[0012]其中，所述高速多通道採集記錄儀具有與所述雪崩光電二極體數目相同的模擬採集通道，每個模擬採集通道與相應的一個雪崩光電二極體連接。
[0013]其中，所述多通道採集記錄儀的每個模擬採集通道的採樣頻率大於等於光電轉換單元的截止頻率上限的2倍。[0014](三)有益效果
[0015]本發明的上述技術方案具有如下優點:本發明提供的雷電高速光度計中，多通道光纖束傳輸單元與光學成像單元的焦平面連接，將光學成像單元採集的雷電通道光信息快速轉換為電信號，然後該電信號傳輸至多通道信息記錄單元，由多通道信息記錄單元進行採樣記錄，從而可得到雷電通道的光強和光強變化信息，進而可得到更高時間解析度的雷電通道發展過程光學信息，且本發明結構簡單緊湊，探測效率高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明實施例雷電高速光度計的連接關係示意圖；
[0017]圖2是本發明實施例雷電高速光度計中光學成像單元焦平面與光纖束連接方式示意圖；
[0018]圖3是本發明實施例雷電高速光度計中光學成像單元焦平面上多根光纖束連接端的排布示意圖。
[0019]圖中，1:單鏡頭反光式光學照相機；2:焦平面；3:光纖束；4 禹合器；5:雪崩光電二極體；6:高速多通道採集記錄儀。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
[0021]如圖1所示，本發明實施例提供的雷電高速光度計包括光學成像單元、多通道光纖束傳輸單元、光電轉換單元及多通道信息記錄單元；光學成像單元為單鏡頭反光式光學照相機1，用於採集雷電通道的光信號；多通道光纖束傳輸單元的一端連接到單鏡頭反光式光學照相機I的焦平面2上，另一端連接到光電轉換單元上，用於將單鏡頭反光式光學照相機I採集的光信號傳遞至光電轉換單元，具體地，多通道光纖束傳輸單元包括多根光纖束3 ;光電轉換單元包括多個雪崩光電二極體5，每個雪崩光電二極體5與相應的多通道光纖束傳輸單元的每根光纖束3連接，用於將光信號快速轉換為電信號；多通道信息記錄單元與光電轉換單元連接，用於接收光電轉換單元傳來的電信號並記錄雷電通道的光強和光強變化信息，多通道信息記錄單元為高速多通道採集記錄儀6。
[0022]上述技術方案中，單鏡頭反光式光學照相機I用於採集雷電通道的光學信息，單鏡頭反光式光學照相機I的焦平面2與雪崩光電二極體5通過多根光纖束3連接，從而單鏡頭反光式光學照相機I採集到的光信號傳輸至雪崩光電二極體5上，雪崩光電二極體5將光信號轉換為電信號，進而將該電信號傳輸至高速多通道採集記錄儀6，高速多通道採集記錄儀6進而將電信號進行記錄，最終快速地獲取了每個通道的光纖束3所對應的雷電圖像光強和光強變化信息。
[0023]具體地，如圖2所示，單鏡頭反光式光學照相機I的焦平面2處成像區域大小為36mm (L)X 24mm (H)，多根光纖束3均連接到單鏡頭反光式光學照相機I的焦平面2上，多根光纖束3的連接端在單鏡頭反光式光學照相機I的焦平面2上形成陣列排布，單鏡頭反光式光學照相機I將雷電通道光信號成像在焦平面2上,多通道光纖束傳輸單兀的每束光纖束3由許多細光纖組成，光學成像單元的成像視場被光纖束3分隔為相互獨立的探測通道，每根光纖束3為一個探測通道。光纖束3在焦平面2上根據需要排列為m行η列，也可以排列為I行η列或m行I列，每根光纖束3的細光纖一端緊密排列為特定形狀，垂直安裝於焦平面2上，每一個探測通道也可以根據需要在特定區域增加或減少細光纖，各光纖束3間可緊密排列，也可間隔排列，每根光纖束3的另一端聚集為一束。
[0024]進一步地，如圖3所示，16行光纖束3自上而下依次排列，形成16個探測通道，細光纖垂直安裝在焦平面2上，通道chi?ch8的光纖束3在焦平面2上安裝的中心間距為
0.4_，可提供高空間解析度，針對發生在雷電通道底部的連接過程進行探測；通道ch9?chl6的光纖束3在焦平面2上安裝的中心間距為1.5mm，提供大空間間隔，針對雷電的先導和回擊過程進行探測。
[0025]優選地，由於雪崩光電二極體5體積較大，雪崩光電二極體5的探測區域不能較好地直接組合在一起，因此，本發明採用將光纖束3通過耦合器4與光電傳感器連接。具體地，每個雪崩光電二極體5與相應的每根光纖束3通過一個耦合器4連接，耦合器4由光學鏡片組成，耦合器4的入射端連接光纖束3，出射端連接光電傳感器，耦合器4入射端和出射端可以是不同直徑，用於不同直徑器件的連接，一般地，耦合器4將直徑為3_的光纖束3中的光耦合在直徑為1_的雪崩光電二極體5的有效探測區域上。雷電的光學通道成像在焦平面2上，通過光纖束3經耦合器4傳輸至光電傳感器，每個光電傳感器對應一根光纖束3，光電傳感器由mXη個雪崩光電二極體5組成陣列，雪崩光電二極體5帶寬截止頻率上限不少於10MHz，且不僅限於10MHz，雪崩光電二極體5帶寬截止頻率的下限可以為DC，即雪崩光電二極體5帶寬截止頻率的下限可以為0Hz，但不僅限於0Hz。所採用的雪崩光電二極體5可以根據需要，針對不同的光纖束3通道選取不同帶寬的型號，不僅限於同一種型號。
[0026]具體地，多個雪崩光電二極體5組成陣列，通道chi?ch7和通道chl6對應的雪崩光電二極體5型號為C5331，帶寬為4k?100MHz，該型號雪崩光電二極體5具有高響應速度，配合光纖束3緊密排列的安裝方式，具有高時空精度的探測的能力，主要針對雷電在近地面發生的連接過程進行探測以及發展速度較快的回擊過程進行探測，其中，通道chi?ch7間通道緊密排列，採用50mm焦距的光學成像單元對應Ikm處發生的雷電，每通道垂直探測間隔為4.4m,通道chi和chl6的間隔可達到14.8mm,採用50mm焦距的光學成像單元I對應Ikm處發生的雷電，垂直探測間隔為296m。通道ch8至chl5對應的雪崩光電二極體5型號為C5460，帶寬為DC?10MHz，配合光纖束3安裝的大間隔，得到大的空間探測範圍，主要針對雷電發生過程的先導過程進行探測，採用50mm焦距的光學成像單元I對應Ikm處發生的雷電，垂直探測間隔為30m。更換不同焦距的鏡頭可用得到不同距離或不同高度雷電的像場。通過光電傳感器可將光強信息快速地轉換為電壓信號，然後輸出至高速多通道採集記錄儀6，最終由高速多通道採集記錄儀6採集記錄。
[0027]進一步地，高速多通道採集記錄儀6具有與雪崩光電二極體5數目相同的模擬採集通道，每個模擬採集通道與相應的一個雪崩光電二極體5連接。高速多通道採集記錄儀6採用的型號為DL850，可實現8個模擬採集通道100MHz和8個模擬採集通道IOMHz採樣率的同時採集記錄。C5460對應的模擬採樣通道採樣率為10MHz，C5331對應的模擬採樣通道的採樣率為100MHz。一般地，多通道採集記錄儀的每個模擬採集通道的採樣頻率大於等於每個雪崩光電二極體的截止頻率上限的2倍，具體地，模擬採樣通道的採樣率不小於10MHz，對應的時間解析度為100ns，多通道採集記錄儀記錄的時間長度為ls，多通道採集記錄儀的記錄時間長度通常大於等於500ms。高速多通道採集記錄儀6最終記錄到的數據，即為每束光纖束3探測到的雷電通道光強或光強變化信息。
[0028]本發明用於探測已知水平距離的雷電通道，採用多個雪崩光電二極體5，探測不同水平高度的雷電通道光強信息，通過計算即可得出雷電通道垂直方向的二維發展速度。具體地，在距離雷電通道底部為Ikm情況時，雷電高速光度計針對雷電通道垂直發展的最高速度解析度為2.96X 108m/s，滿足針對雷電回擊速度探測的需要；針對近地面的雷電通道連接過程，雷電高速光度計的垂直空間解析度為8m，這樣可以滿足獲得雷電通道發展過程光學信息的要求。
[0029]綜上所述，本發明是實施例提供的雷電高速光度計將雪崩光電二極體5通過多通道光纖束傳輸單元與單鏡頭反光式光學照相機I的焦平面2連接，將單鏡頭反光式光學照相機I採集的雷電通道光信息快速轉換為電信號，然後電信號通過高速多通道採集記錄儀6的多個模擬採樣通道，由高速多通道採集記錄儀6進行採樣記錄，從而可得到雷電通道的光強和光強變化信息，進而可得到更高時間解析度的雷電通道發展過程光學信息，且本發明結構簡單緊湊，探測效率高。
[0030]以上僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種雷電高速光度計，其特徵在於:其包括光學成像單元、多通道光纖束傳輸單元、光電轉換單元及多通道信息記錄單元；所述光學成像單元用於採集雷電通道的光信號；所述多通道光纖束傳輸單元的一端連接到光學成像單元的焦平面上，另一端連接到光電轉換單元上，用於將光學成像單元採集的光信號傳遞至光電轉換單元；所述光電轉換單元用於將光信號快速轉換為電信號；所述多通道信息記錄單元與所述光電轉換單元連接，用於接收光電轉換單元傳來的電信號並記錄雷電通道的光強和光強變化信息。
2.根據權利要求1所述的雷電高速光度計，其特徵在於:所述光學成像單元為單鏡頭反光式光學照相機；所述多通道光纖束傳輸單元包括多根光纖束，多根光纖束均連接到單鏡頭反光式光學照相機的焦平面上，多根光纖束的連接端在單鏡頭反光式光學照相機的焦平面上形成陣列排布。
3.根據權利要求2所述的雷電高速光度計，其特徵在於:所述光電轉換單元包括多個雪崩光電二極體，每個雪崩光電二極體與相應的多通道光纖束傳輸單元的一根光纖束連接。
4.根據權利要求3所述的雷電高速光度計，其特徵在於:所述每個雪崩光電二極體與相應的一根光纖束通過一耦合器連接。
5.根據權利要求4所述的雷電高速光度計，其特徵在於:所述多通道信息記錄單元為高速多通道採集記錄儀。
6.根據權利要求5所述的雷電高速光度計，其特徵在於:所述高速多通道採集記錄儀具有與所述多個雪崩光電二極體數目相同的模擬採集通道，每個模擬採集通道與相應的一個雪崩光電二極體連接。
7.根據權利要求6所述的雷電高速光度計，其特徵在於:所述多通道採集記錄儀的每個模擬採集通道的採樣頻率大於等於光電轉換單元的截止頻率上限的2倍。
【文檔編號】G01J1/42GK103822707SQ201410099449
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2014年3月17日
【發明者】劉明遠, 郄秀書, 王志超, 蔣如斌, 孫竹玲 申請人:中國科學院大氣物理研究所