雙端單基線透射式能見度儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)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(xué)污染對透射式能見度儀的影響，并能半定量測量自身光學(xué)污染情況透射式能見度儀，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：第一組激光器激光束依次通過透鏡組后，經(jīng)過第一分光棱鏡、λ/4波片、第二分光棱鏡、三角棱鏡折射進(jìn)入保護(hù)玻璃，光束被保護(hù)玻璃分為透射光和反射光；透射光經(jīng)過基線氣柱空氣，經(jīng)三角棱鏡折射為待測光，待測光經(jīng)第二分光棱鏡分光為垂直光進(jìn)入P2功率測量系統(tǒng)；反射光再次經(jīng)過第二分光棱鏡后反射到P1功率測量系統(tǒng)。第二組激光器出射的激光束與第一組出射的光路通過相似的傳輸途徑分別進(jìn)入P4功率測量系統(tǒng)和P3功率測量系統(tǒng)，得到功率值量之間的數(shù)值關(guān)系和基線氣柱的大氣消光系數(shù)。
【專利說明】雙端單基線透射式能見度儀
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種可直接應(yīng)用于測量大氣能見度的雙端單基線透射式能見度測量系統(tǒng)。
[0002]【背景技術(shù)】
透射式能見度檢測儀是測量道路能見度和隧道內(nèi)煙霧濃度的高效反應(yīng)類便攜式測試儀器，具有良好的數(shù)據(jù)處理、人性化的界面和輸出功能，可實(shí)時(shí)提供給用戶所需道路該區(qū)域內(nèi)的能見度值和隧道內(nèi)的煙霧濃度，同時(shí)具有數(shù)據(jù)保存及完整的數(shù)據(jù)后期處理分析功能。目前主要的透射式能見度儀器主要采用分離模式的發(fā)射端和接收端，或者發(fā)射接收端一體再配合一個(gè)反射端的模式，均采用單個(gè)光源，單個(gè)或雙個(gè)功率測量系統(tǒng)，基于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(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，也常被用于校準(zhǔn)和標(biāo)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后的功率值的衰減量，以此測量固定基線上的大氣消光參數(shù)，再通過公式得到能見度值。近年來出現(xiàn)了各種能夠測量能見度的儀器設(shè)備，這些設(shè)備通過測試能見度的相關(guān)參量來推算能見度，其中包括透射式、前向散射式和后向散射式。透射式能見度儀又稱為透射計(jì)、透射表，常被用于機(jī)場作為跑道視程的測量手段，透射式能見度儀，以厚度等于“基線”長度的氣柱為樣本。其工作原理是基于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，獲取消光系數(shù)的數(shù)值，進(jìn)而判定天氣現(xiàn)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(fā)射器發(fā)出紅外光輻射，對其臨近的大氣樣本進(jìn)行照射，大氣樣本中固、液、氣態(tài)懸浮粒子對照射光輻射產(chǎn)生散射，散射量大小與懸浮粒子的尺寸和濃度相關(guān)，懸浮粒子的尺寸和濃度又與大氣能見度相關(guān)，散射式能見度儀的接收器探測某一方向的散射信號(hào)，并根據(jù)具體角度上的散射信號(hào)與總散射量的關(guān)系確定總散射系數(shù)，最后按公式計(jì)算大氣能見度。但由于入射光功率因?yàn)闆]有監(jiān)控，會(huì)導(dǎo)致最后測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。
[0003]通常透射式能見度檢測儀的光路可分為望遠(yuǎn)鏡部分、激光發(fā)射部分和激光接收部分三部分，采用三軸共軸的光學(xué)結(jié)構(gòu)，即望遠(yuǎn)鏡光路，發(fā)射光路，接收光路完全共軸。傳統(tǒng)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(guān)，是一個(gè)與人的視覺因素結(jié)合在一起的復(fù)雜的心理一物理現(xiàn)象。目前透射式能見度儀不方便照準(zhǔn)目標(biāo)，而且需要固定基線和合作目標(biāo)。由于理論原理和測量方案，相比于其他能見度測量設(shè)備，透射式能見度儀最易受光學(xué)污染，而導(dǎo)致測量精度下降。光學(xué)玻璃污染主要發(fā)生在保護(hù)玻璃與空氣的接觸面上，光學(xué)污染會(huì)破壞接觸面的透過率α。
[0004]本發(fā)明是基于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(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的針對上述現(xiàn)有技術(shù)易受光學(xué)污染，導(dǎo)致測量精度下降的不足之處，提供一種能夠減小光學(xué)污染對透射式能見度儀的影響，并能半定量測量自身光學(xué)污染情況，同時(shí)還能監(jiān)控自身光路的失調(diào)情況的雙端單基線透射式能見度儀。
[0006]本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達(dá)到，一種雙端單基線透射式能見度儀，包括放置于兩個(gè)端口上的兩臺(tái)相同模式的激光器和分別通過穩(wěn)功儀、衰減片、偏振片進(jìn)入聚焦特性的透鏡組，且兩臺(tái)激光器分為兩組共軸光路，其特征在于:第一組光路上的第一激光器21激光束依次通過第一穩(wěn)功儀20、第一透鏡組19后,經(jīng)過第四分光棱鏡18、第一 λ/4波片17、第一分光棱鏡16、第一三角棱鏡23折射進(jìn)入第一保護(hù)玻璃22,—部分激光束通過保護(hù)玻璃透射，透射光經(jīng)過基線長度為L的基線氣柱13進(jìn)入大氣，同時(shí)透射到第二組光路下方的第二保護(hù)玻璃12，經(jīng)45°第二三角棱鏡11折射為平行光，平行光經(jīng)第二分光棱鏡10分光為90°垂直光進(jìn)入P2功率測量系統(tǒng)5 ;另一部分激光束被從第一保護(hù)玻璃22反射，反射光依次經(jīng)過第一三角棱鏡23、第一分光棱鏡16第一 λ/4波片17、第四分光棱鏡18反射到P1功率測量系統(tǒng)6，第二組光路上的第二激光器I出射的激光束與第一組出射的光路通過相似的傳輸途徑分別進(jìn)入P4功率測量系統(tǒng)和P3功率測量系統(tǒng)，從而測量得到上述四項(xiàng)不同的功率值，通過計(jì)算測量得到的功率值量之間的數(shù)值關(guān)系，得到基線氣柱的大氣消光系數(shù)，經(jīng)過迭代計(jì)算后得到能見度值。
本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果。
[0007]本發(fā)明基于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(chuàng)造性地將現(xiàn)有技術(shù)的單個(gè)發(fā)射系統(tǒng)和單個(gè)或兩個(gè)功率測量系統(tǒng)改為兩個(gè)發(fā)射系統(tǒng)和四套功率測量系統(tǒng)，測試結(jié)果得出，兩路光路往返增加了水平氣柱樣本長度，擴(kuò)大了能見度測量范圍，有效提高了能見度測量精度。在保持現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)緊湊的情況下，有效的將光學(xué)污染導(dǎo)致的誤差大幅度減小。并且通過內(nèi)部光功率的比較計(jì)算，獲得了光學(xué)窗口污染情況的半定量結(jié)果，并且能夠監(jiān)控內(nèi)外光路的失調(diào)情況。通過比對實(shí)驗(yàn)、理論分析和溯源校準(zhǔn)，測試結(jié)果給出大氣能見度實(shí)測結(jié)果，定量計(jì)算顯示，能見度測量范圍為0.1km~20km，在橫向風(fēng)速小于5m/s時(shí),能見度在0.1km到5km范圍內(nèi)測量誤差優(yōu)于10%,能見度在6km到12km范圍內(nèi)測量誤差優(yōu)于18%，能見度在13km到20km范圍內(nèi)測量誤差優(yōu)于20%，與國外能見度儀的測量結(jié)果相關(guān)系數(shù)R為0.9904。在P1和P3端口測量結(jié)果與原始值誤差小于50%時(shí)，光學(xué)污染導(dǎo)致的能見度測量誤差小于3%。解決了現(xiàn)有透射式能見度系統(tǒng)對光學(xué)污染敏感，不能適應(yīng)靶場、機(jī)場、野外等氣候惡劣、清洗困難的環(huán)境工作的難題。
[0008]本發(fā)明通過斗組功率測量系統(tǒng)得到的功率值^士丄丄之間的數(shù)值關(guān)系’可以分別求取得到待測量的能見度值，光學(xué)保護(hù)玻璃窗口的光學(xué)污染情況，避免或減小了光學(xué)污染導(dǎo)致的能見度測量誤差。
[0009]本發(fā)明雙端出射光功率起伏控制在0.2%以內(nèi)，出口光斑口徑Φ30mm，透鏡組焦距為287m，波長532nm，4組功率計(jì)測量相對誤差小于0.5%，可放置基線范圍為200m到270m之間，能見度測量范圍為IOOm~23000m。
[0010]本發(fā)明4套功率計(jì)測量結(jié)果相互計(jì)算得到能見度值，進(jìn)一步避免或減少了光學(xué)窗口污染導(dǎo)致的測量誤差。
[0011]本發(fā)明利用其中2套功率計(jì)P1和P3測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算后與標(biāo)定值進(jìn)行比較，并通SPjPP3測量結(jié)果的差值關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)激光輸出功率是否出現(xiàn)失調(diào)和異常現(xiàn)象和得到光學(xué)保護(hù)玻璃與空氣接觸面的污染情況，以此判斷測量誤差和提醒清洗。
[0012]本發(fā)明對4套功率測量系統(tǒng)通過相互比對實(shí)驗(yàn)得到相互測量結(jié)果的校準(zhǔn)曲線，可保證4套功率測量結(jié)果相對誤差小于0.4%。
[0013]本發(fā)明采用由第二透鏡組(3)組成的聚焦光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，遠(yuǎn)場焦點(diǎn)尺寸小，光斑抖動(dòng)絕對值小，光強(qiáng)起伏小。通過采用了激光器和穩(wěn)功儀，使得輸出功率的穩(wěn)定性優(yōu)于0.2%。
[0014]本發(fā)明PpP2、P3和P4功率測量系統(tǒng)采用漫透射材料和光電探測進(jìn)行測量，測量得到的功率值分別為Ip 12、13、I4，功率計(jì)設(shè)計(jì)了同步觸發(fā)采集，采集速度為10Hz，同步性優(yōu)于lms，保證了采集的同時(shí)性；激光器采用波長為532nm的固體連續(xù)激光器，通過穩(wěn)功儀后功率穩(wěn)定性優(yōu)于0.2% ;聚焦透鏡組帶聚焦模式，除離焦項(xiàng)后波前畸變優(yōu)于λ /12 (PV)，出口口徑為 Φ25ι?πι。
[0015]本發(fā)明與傳統(tǒng)透射式能見度儀相比該裝置受光學(xué)誤差影響小，能夠在不清洗狀態(tài)下連續(xù)工作60天以上，能夠?qū)ψ陨硐到y(tǒng)光學(xué)污染情況進(jìn)行監(jiān)控，采用了比較成熟的半導(dǎo)體激光技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換探測技術(shù)、信號(hào)數(shù)字化處理技術(shù)，成本較低，不需要額外的溫度控制就能在-40~60°C環(huán)境下工作，非常適用于適應(yīng)靶場、機(jī)場、野外等氣候惡劣、清洗困難的環(huán)境工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明雙端單基線透射式能見度儀光路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明不同能見度與橫向風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對誤差曲線示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明長期穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線示意圖。
[0019]圖4是本發(fā)明功率探測系統(tǒng)P1和P3相對于原始值得誤差曲線示意圖。
[0020]圖中:I第二激光器，2第二穩(wěn)功儀，3第二透鏡組，4P3功率測量系統(tǒng)，5P2功率測量系統(tǒng)，6Pi功率測量系統(tǒng)，7P4功率測量系統(tǒng)，8第三分光棱鏡，9第二 λ /4波片，10第二分光棱鏡，11第二三角棱鏡，12第二保護(hù)玻璃，13基線氣柱，14Α端口，15Β端口，16第一分光棱鏡，17第一 λ/4波片，18第四分光棱鏡，19第一透鏡組,20第一穩(wěn)功儀,21第一激光器
【具體實(shí)施方式】
`[0021]參閱圖1。在以下描述的一個(gè)`最佳實(shí)施例中，雙端單基線透射式能見度儀包含了 2臺(tái)激光器、2臺(tái)穩(wěn)功儀、2套衰減片、2組濾光保護(hù)玻璃、2組分光棱鏡、2組三角棱鏡、4組功率測量系統(tǒng)、2套電氣系統(tǒng)、I套數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、2組聚焦透鏡系組、2片λ /4波片和兩個(gè)端口的機(jī)械結(jié)構(gòu)。兩臺(tái)相同模式連續(xù)的第二激光器I和第一激光器21放置于兩個(gè)端口上，A端口 14、Β端口 15上的激光器I分別通過第二穩(wěn)功儀2、衰減片、偏振片后進(jìn)入聚焦特性的第二透鏡組3，其中一組激光光束通過第二透鏡組3后，依次經(jīng)過第三分光棱鏡8、第二 λ /4波片9、第二分光棱鏡10，再經(jīng)過第二三角棱鏡11折射進(jìn)入第二保護(hù)玻璃12，然后光束一部分透射后形成透射光，另一部分反射后形成反射光。透射光經(jīng)過長度為L的基線氣柱13的大氣，透射光經(jīng)過基線氣柱13空氣后，大氣透射光通過第二保護(hù)玻璃12經(jīng)45°第二三角棱鏡10折射為平行光，平行光經(jīng)第一分光棱鏡16分光為90°垂直光進(jìn)入P2功率測量系統(tǒng)7 ;而反射光從第二保護(hù)玻璃12反射后，依次經(jīng)過第二三角棱鏡11、第二分光棱鏡10、第二 λ/4波片9、第三分光棱鏡8反射到功率測量系統(tǒng)4。同理,另一組第一激光器21出射的光路與第一組第二激光器I出射的光路通過相似的傳輸途徑分別進(jìn)入功率測量系統(tǒng)5和功率測量系統(tǒng)6。P1,P2^P3和P4功率測量系統(tǒng)均是采用漫透射材料和光電探測進(jìn)行測量，測量得到的功率值分別為1、12、13、14。第二保護(hù)玻璃12外層與空氣接觸面鍍有透過率為Ci1的反射膜。光學(xué)保護(hù)玻璃進(jìn)行了雙面鍍膜，光學(xué)保護(hù)玻璃的設(shè)備內(nèi)表面對532nm波長鍍40%的反射膜，對其余400nm~I IOOnm波長鍍30dB的反射膜；光學(xué)保護(hù)玻璃在與空氣接觸面對532nm鍍99%的增透膜，對其余400nm~IlOOnm鍍30dB的反射膜。功率測量系統(tǒng)4與功率測量系統(tǒng)5以及另一組光路上的功率測量系統(tǒng)6與功率測量系統(tǒng)7分別位于第三分光棱鏡8、第四分光棱鏡18和第二分光棱鏡10、第一分光棱鏡16的上方。第二 λ/4波片9和第一 λ/4波片17分別位于第三分光棱鏡8、第四分光棱鏡18和第二分光棱鏡10、第一分光棱鏡16之間。
[0022]通過光學(xué)玻璃鍍膜的系數(shù)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(gè)激光器通過穩(wěn)功率儀后的光功率，h、k2、k3、k4分別是光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，是大氣對特定波長的消光系數(shù)，L是基線氣柱長度，\和Ci2分別是兩保護(hù)玻璃與空氣接觸面的透射率系數(shù)，exp為高等數(shù)學(xué)里以自然對數(shù)e為底指數(shù)函數(shù)。將公式
(I)- (4)進(jìn)行相互代入計(jì)算后可以得到消光系數(shù)的計(jì)算公式(5)，
【權(quán)利要求】
1.一種雙端單基線透射式能見度儀，包括放置于兩個(gè)端口上的兩臺(tái)相同模式的激光器和分別通過穩(wěn)功儀、衰減片、偏振片進(jìn)入聚焦特性的透鏡組，且兩臺(tái)激光器分為兩組共軸光路，其特征在于:第一組光路上的第一激光器(21)激光束依次、第一穩(wěn)功儀(20)通過透鏡組(19)后,經(jīng)過第四分光棱鏡(18)、第一 λ /4波片(17)、第一分光棱鏡(16)、第一三角棱鏡(23)折射進(jìn)入第一保護(hù)玻璃(22)，一部分激光束通過保護(hù)玻璃透射，透射光經(jīng)過基線長度為L的基線氣柱(13)進(jìn)入大氣，同時(shí)透射到第二組光路下方的第二保護(hù)玻璃(12)，經(jīng)45°第二三角棱鏡(11)折射為平行光，平行光經(jīng)第二分光棱鏡(10))分光為90°垂直光進(jìn)入P2功率測量系統(tǒng)(5);另一部分激光束被從第一保護(hù)玻璃(22)反射，反射光依次經(jīng)過第一三角棱鏡(23)、第一分光棱鏡(16)、第一 λ /4波片(17)、第四分光棱鏡(18)反射到P1功率測量系統(tǒng)(6)，第二組光路上的第二激光器(I)出射的激光束與第一組出射的光路通過相似的傳輸途徑分別進(jìn)入P4功率測量系統(tǒng)和P3功率測量系統(tǒng)，從而測量得到上述四項(xiàng)不同的功率值，通過計(jì)算測量得到的功率值量之間的數(shù)值關(guān)系，得到基線氣柱的大氣消光系數(shù)，經(jīng)過迭代計(jì)算后得到能見度值。
2.如權(quán)利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特征在于:Ρ3功率測量系統(tǒng)(4)與P2功率測量系統(tǒng)(5)以及另一組光路上的P1功率測量系統(tǒng)(6)與P4功率測量系統(tǒng)(7)分別位于第三分光棱鏡(8)和第二分光棱鏡(10))的上方。
3.如權(quán)利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特征在于:第二λ/4波片(9)位于第三光棱鏡(8)和第四分光棱鏡(18)之間。
4.如權(quán)利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特征在于:第一λ/4波片(17)位于第二分光棱鏡(10)、第一分光棱鏡(16)之間。
5.如權(quán)利要求1或2所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特征在于:第一組光路上的第二保護(hù)玻璃(12)和基線氣柱(13)與第一組光路上的第二保護(hù)玻璃(12)和基線氣柱(13)相互平行。
6.如權(quán)利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特征在于:第二保護(hù)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(quán)利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特征在于:光學(xué)保護(hù)玻璃在與空氣接觸面對532nm鍍99%的增透膜，對其余400nm~IlOOnm鍍30dB的反射膜。
8.如權(quán)利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特征在于:ΡρP2> P3和P4功率測量系統(tǒng)測量得到的功率值分別為Ip 12、13、I4，分別通過公式計(jì)算得到測量的能見度值

9.如權(quán)利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特征在于:功率測量系統(tǒng)(4)與功率測量系統(tǒng)(5)以及另一組光路上的功率測量系統(tǒng)(6)與功率測量系統(tǒng)(7)分別位于第三分光棱鏡(8)、第四分光棱鏡(18)和第二分光棱鏡(10)、第一分光棱鏡(16)的上方。
10.如權(quán)利要求1所述的雙端單基線透射式能見度儀，其特征在于=PpPyP3和P4功率測量系統(tǒng)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(jì)算得到測量的能
【文檔編號(hào)】G01N21/59GK103674905SQ201310660536
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】趙琦, 樊紅英, 蔣澤偉, 孟慶安, 張 浩, 胡紹云 申請人:西南技術(shù)物理研究所