激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，利用空氣中的微小水汽粒子對(duì)激光的米氏前向散射信號(hào)來測(cè)量水汽的譜分布和大氣中的水汽含量。采用均勻強(qiáng)度紅光半導(dǎo)體激光器作為照射源，通過激光束準(zhǔn)直、聚焦，在空間中劃出一定大小的采樣區(qū)。通過采樣區(qū)的粒子對(duì)激光產(chǎn)生散射信號(hào)，經(jīng)過對(duì)前向散射信號(hào)的測(cè)量、景深內(nèi)粒子判定，雙通道弱信號(hào)探測(cè)等手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)尺度為2?50μm的云粒子分布的測(cè)量。本發(fā)明具有體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量精度高的特點(diǎn)，在實(shí)時(shí)指揮人工增雨作業(yè)、確定云粒子分布、云物理學(xué)研究等均能得到廣泛應(yīng)用。
【專利說明】
激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于激光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，用于測(cè)量大氣中水汽滴譜分布和水汽含量?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中用于測(cè)量大氣中氣溶膠的激光前向散射探測(cè)系統(tǒng)，是利用空氣中的微小氣溶膠粒子對(duì)激光的米氏前向散射信號(hào)和差分吸收原理來測(cè)量特定種類的大氣氣溶膠。
[0003]比如美國專利號(hào)US 2006/0232776 A1公開的名稱為“有害微粒測(cè)量的系統(tǒng)和方法”的專利，就是這樣的測(cè)量裝置。它是由多臺(tái)不同波長激光器作為發(fā)射源，其中一束作為參考光，另外幾束作為探測(cè)光，若探測(cè)通道存在特定種類的有害氣溶膠，利用有效氣溶膠對(duì)對(duì)參考光吸收較弱而對(duì)探測(cè)光有較強(qiáng)吸收，以及有害氣溶膠對(duì)幾束光均有較強(qiáng)的前向散射效應(yīng)的原理，采用分光鏡將不同波長的散射信號(hào)分開，一種波長的散射信號(hào)分布一個(gè)探測(cè)器接受，對(duì)探測(cè)光和參考光散射信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)比及后續(xù)處理，得到被探測(cè)氣溶膠的成分信息。
[0004]該專利采用多臺(tái)分離的激光器作為發(fā)射源，對(duì)激光器的波長穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性都有較高的要求。其光路中有多片對(duì)某一波長激光全反、其它波長激光器全透的光學(xué)鏡片存在，該光學(xué)鏡片存在加工困難，制造成本高，費(fèi)用昂貴的缺陷。另外，它在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，由于散射信號(hào)較弱，各波長激光的散射系數(shù)不一致，散射信號(hào)的強(qiáng)度對(duì)比容易誤判，而影響測(cè)量準(zhǔn)確性和測(cè)量精度。而且該專利只能測(cè)量氣溶膠粒子的種類，不能得到氣溶膠粒子的直徑大小和分布。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]( — )發(fā)明目的
[0006]本發(fā)明的目的是:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種測(cè)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試方便、體積小巧的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)。
[0007](二)技術(shù)方案
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其包括:
[0009]探頭，包括探頭基體和探頭支架，探頭基體包括箱體1，箱體1包括平行設(shè)置且各自獨(dú)立密封的探頭第一臂22和探頭第二臂23,探頭第一臂22內(nèi)設(shè)置激光發(fā)射系統(tǒng)、聚焦光學(xué)系統(tǒng)，探頭第二臂23內(nèi)設(shè)置散射光收集系統(tǒng)、信號(hào)探測(cè)系統(tǒng);探頭第一臂22和探頭第二臂23 上設(shè)置有位置相對(duì)的第一窗口鏡10和第二窗口鏡1〇’；激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出光束，光束經(jīng)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦，經(jīng)由第一窗口鏡10射向第二窗口鏡10’，光束在第一窗口鏡10和第二窗口鏡 10’之間形成空間采樣區(qū)11，進(jìn)入探頭第二臂23的光束經(jīng)散射光收集系統(tǒng)遮擋直射光、收集云粒子前向散射光、控制景深，進(jìn)一步傳輸至信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)散射脈沖信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào)；
[0010]信號(hào)探測(cè)電路系統(tǒng)，設(shè)置在探頭第一臂22和探頭第二臂23之間的連接箱體中，信號(hào)探測(cè)電路系統(tǒng)包括信號(hào)放大電路16，與信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)通過傳輸電纜17連接，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的放大輸出；
[0011]信號(hào)處理和控制電路系統(tǒng)，設(shè)置在箱體I外部的電子箱機(jī)箱20中，其包括信號(hào)處理和控制電路21，通過傳輸電纜17連接信號(hào)放大電路16和外部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18，經(jīng)信號(hào)放大電路16放大后的信號(hào)送到信號(hào)處理和控制電路21，信號(hào)處理和控制電路21將測(cè)量到的最大信號(hào)幅度與分離測(cè)量的粒子散射參考電壓信號(hào)進(jìn)行比較，輸出值經(jīng)傳輸電纜17送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18，對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，計(jì)算得出大氣中的云滴譜數(shù)據(jù)，并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18顯示輸出。
[0012]其中，所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器2、光纖3、光纖連接器4和準(zhǔn)直器5，激光器2為光束均勻的高階模紅光半導(dǎo)體激光器，激光器2通過光纖3和光纖連接器4連接準(zhǔn)直器5。
[0013]其中，所述激光器2還與信號(hào)處理和控制電路21連接，通過信號(hào)處理和控制電路21進(jìn)行輸出功率監(jiān)測(cè)，控制激光器2的輸出功率及溫度。
[0014]其中，所述聚焦光學(xué)系統(tǒng)包括光闌6、第一聚焦透鏡7、第一轉(zhuǎn)折鏡8，光纖3發(fā)出的紅光經(jīng)準(zhǔn)直器5準(zhǔn)直為平行光束，平行光束被光闌6切割，然后第一聚焦透鏡7將平行光束聚焦，第一轉(zhuǎn)折鏡8將聚焦光束定位在第一窗口鏡10外部的空間中，形成一段光強(qiáng)均勻的空間采樣區(qū)11。
[0015]其中，所述散射光收集系統(tǒng)包括紅玻璃掩膜12、第二轉(zhuǎn)折鏡8，、第二聚焦透鏡13和分束棱鏡14，紅玻璃掩膜12貼于第二窗口鏡10，上，用于遮擋直射的光束，紅玻璃掩膜12與第二轉(zhuǎn)折鏡8，的間距尺寸以能夠使與入射方向夾角為4?12°的散射光達(dá)到第二聚焦透鏡13為準(zhǔn)，第二聚焦透鏡13將散射光匯聚，匯聚光經(jīng)分束棱鏡14后，分為透射和反射兩束光。
[0016]其中，所述信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)包括兩個(gè)相互垂直放置的光電探測(cè)器，一個(gè)作為信號(hào)探測(cè)器，另一個(gè)作為參考探測(cè)器，經(jīng)分束棱鏡后，有33%光到達(dá)信號(hào)探測(cè)器，66%光到達(dá)參考探測(cè)器，參考探測(cè)器前設(shè)置有狹縫狀光闌，作為粒子是否處于景深的判據(jù)，使得只有探測(cè)距離大于聚焦中心1.5mm的粒子的前向散射光能進(jìn)入?yún)⒖继綔y(cè)器，而信號(hào)探測(cè)器只探測(cè)距離小于聚焦中心I.5_的粒子的前向散射光。
[0017]其中，所述探頭基體還連接有探頭支架，探頭支架設(shè)置在連接箱體處。
[0018]其中，所述信號(hào)處理和控制電路21通過分布于兩個(gè)窗口鏡和激光器2周圍的溫度傳感器19對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制，并通過對(duì)激光器電壓的監(jiān)測(cè)對(duì)激光器功率實(shí)現(xiàn)控制。
[0019]其中，緊貼所述激光器2安裝溫度傳感器19和加熱器9，溫度傳感器19輸出的數(shù)據(jù)送到信號(hào)處理及系統(tǒng)控制電路21，對(duì)溫度傳感器19的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分析，當(dāng)激光器周圍溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，信號(hào)處理和控制電路21啟動(dòng)加熱器9對(duì)激光器2進(jìn)行加熱；窗口鏡附近安裝溫度傳感器19和加熱器9，當(dāng)箱體外部溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，加熱器9啟動(dòng)，對(duì)窗口鏡進(jìn)行加熱，以防止窗口鏡上有水滴凝結(jié)或結(jié)冰。
[0020]其中，所述信號(hào)放大電路16采用三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，第一級(jí)使用低噪聲放大器，第二級(jí)為增益可控放大器，實(shí)現(xiàn)四檔增益選擇，第三級(jí)為功率放大器。
[0021](三)有益效果
[0022]上述技術(shù)方案所提供的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，只用一只光強(qiáng)度分布均勻激光器作為發(fā)射源，利用聚焦光學(xué)系統(tǒng)在焦點(diǎn)附近形成粒子散射探測(cè)區(qū)，即保證了散射區(qū)的光均勻性和增加了散射光強(qiáng)度。散射信號(hào)經(jīng)過分束棱鏡按比例到達(dá)兩個(gè)探測(cè)器，一個(gè)探測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度確定粒子大小，另一個(gè)探測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度確定散射區(qū)面積，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量粒子的大小，統(tǒng)計(jì)粒徑分布，計(jì)算水汽濃度;解決了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜，制造成本高，容易導(dǎo)致信號(hào)誤判，影響測(cè)量準(zhǔn)確性以及功能單一的問題。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)造框圖。
[0024]圖2是本發(fā)明激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)的采樣區(qū)內(nèi)粒子對(duì)激光的前向散射原理圖。
[0025]圖1中:1-箱體，2-激光器，3-光纖，4-光纖連接器，5_準(zhǔn)直器，6_光闌，7_第一聚焦透鏡，8-第一轉(zhuǎn)折鏡，8 ’ -第二轉(zhuǎn)折鏡，9-加熱器，10-第一窗口鏡，10 ’ -第二窗口鏡，11-空間米樣區(qū)，12-紅玻璃掩膜，13-第二聚焦透鏡，14-分束棱鏡，15-光電探測(cè)器，16-信號(hào)放大電路，17-傳輸電纜，18-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，19-溫度傳感器，20-電子箱機(jī)箱，21-信號(hào)處理和控制電路，22-探頭第一臂;23-探頭第二臂；
[0026]圖2中:25_云粒子。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0028]本發(fā)明利用微小粒子對(duì)激光的米氏散射效應(yīng)，通過對(duì)空間采樣區(qū)內(nèi)散射信號(hào)的探測(cè)可以確定粒子的參數(shù)，如:平均直徑、均方根直徑、數(shù)濃度、總濃度、含水量和采樣體積等。
[0029]本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方案為:激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)包括置于激光前向散射云滴譜探頭內(nèi)的半導(dǎo)體激光器，通過光纖輸出激光。激光器通過信號(hào)處理和控制電路系統(tǒng)進(jìn)行輸出功率監(jiān)測(cè)、控制激光器的輸出功率及溫度;聚焦光學(xué)系統(tǒng)定義了一個(gè)很小的空間采樣區(qū)(激光束的寬度約為0.2mm，景深約為2mm)，云滴粒子在該空間內(nèi)引起激光束散射。窗口鏡中心有一紅玻璃掩膜，能夠?qū)⒅鄙涞墓馐鴵踝?，使散射方向?yàn)??12°的散射光達(dá)成像透鏡并保證約2.5mm的景深，即散射區(qū)長度。成像透鏡將散射光匯聚，匯聚光經(jīng)分束棱鏡后，被引導(dǎo)到兩個(gè)相互垂直放置的光電探測(cè)器中進(jìn)行對(duì)比探測(cè)。光信號(hào)脈沖經(jīng)光電探測(cè)器、信號(hào)放大電路后耦合到信號(hào)處理及控制電路系統(tǒng)中。信號(hào)處理及控制電路系統(tǒng)將測(cè)量到的最大信號(hào)幅度與分離測(cè)量的粒子散射參考電壓信號(hào)進(jìn)行比較，輸出值經(jīng)傳輸電纜送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)采集、濾波處理計(jì)算、數(shù)據(jù)綜合、反演、顯示及儲(chǔ)存等操作，計(jì)算得出的大氣中的云滴譜及云滴數(shù)濃度和含水量等數(shù)據(jù)。
[0030]具體地，結(jié)合圖示，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步如下描述。
[0031 ]參閱圖1所示，本實(shí)施例激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)包括:
[0032]探頭，包括探頭基體和探頭支架，探頭基體包括箱體I，箱體I包括平行設(shè)置且各自獨(dú)立密封的探頭第一臂22和探頭第二臂23，探頭第一臂22內(nèi)設(shè)置激光發(fā)射系統(tǒng)、聚焦光學(xué)系統(tǒng)，探頭第二臂23內(nèi)設(shè)置散射光收集系統(tǒng)、信號(hào)探測(cè)系統(tǒng);探頭第一臂22和探頭第二臂23上設(shè)置有位置相對(duì)的第一窗口鏡10和第二窗口鏡10’；激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出光束，光束經(jīng)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦，經(jīng)由第一窗口鏡10射向第二窗口鏡10’，光束在第一窗口鏡10和第二窗口鏡10’之間形成空間采樣區(qū)11，進(jìn)入探頭第二臂23的光束經(jīng)散射光收集系統(tǒng)遮擋直射光、收集云粒子前向散射光、控制景深，進(jìn)一步傳輸至信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)散射脈沖信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào)；
[0033]信號(hào)探測(cè)電路系統(tǒng)，設(shè)置在探頭第一臂22和探頭第二臂23之間的連接箱體中，信號(hào)探測(cè)電路系統(tǒng)包括信號(hào)放大電路16,與信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)通過傳輸電纜17連接，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的放大輸出；[〇〇34]信號(hào)處理和控制電路系統(tǒng)，設(shè)置在箱體1外部的電子箱機(jī)箱20中，其包括信號(hào)處理和控制電路21，通過傳輸電纜17連接信號(hào)放大電路16和外部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18,經(jīng)信號(hào)放大電路16放大后的信號(hào)送到信號(hào)處理和控制電路21，信號(hào)處理和控制電路21將測(cè)量到的最大信號(hào)幅度與分離測(cè)量的粒子散射參考電壓信號(hào)進(jìn)行比較，輸出值經(jīng)傳輸電纜17送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18,對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)采集、濾波處理計(jì)算、數(shù)據(jù)綜合、反演、顯示及儲(chǔ)存等操作，計(jì)算得出的相關(guān)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)18顯示輸出。
[0035]其中，激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器2、光纖3、光纖連接器4和準(zhǔn)直器5,激光器2為光束均勻的高階模紅光半導(dǎo)體激光器，激光器2通過光纖3和光纖連接器4連接準(zhǔn)直器5。激光器2 還與信號(hào)處理和控制電路21連接，通過信號(hào)處理和控制電路21進(jìn)行輸出功率監(jiān)測(cè)，控制激光器2的輸出功率及溫度。
[0036]聚焦光學(xué)系統(tǒng)包括光闌6、第一聚焦透鏡7、第一轉(zhuǎn)折鏡8,光纖3發(fā)出的紅光經(jīng)準(zhǔn)直器5準(zhǔn)直為發(fā)散角2mrad的平行光束，平行光束被光闌6切割為直徑5mm，然后第一聚焦透鏡7 將平行光束聚焦，第一轉(zhuǎn)折鏡8將聚焦光束定位在第一窗口鏡10外部的空間中形成一段光強(qiáng)均勻的空間采樣區(qū)11。
[0037]散射光收集系統(tǒng)包括紅玻璃掩膜12、第二轉(zhuǎn)折鏡8’、第二聚焦透鏡13和分束棱鏡 14，紅玻璃掩膜12貼于第二窗口鏡10 ’上，用于遮擋直射的光束，紅玻璃掩膜12與第二轉(zhuǎn)折鏡8’的間距尺寸以能夠使與入射方向夾角為4?12°的散射光達(dá)到第二聚焦透鏡13為準(zhǔn)，第二聚焦透鏡13將散射光匯聚，同時(shí)保證約2.5mm的景深，即散射區(qū)長度。匯聚光經(jīng)分束棱鏡 14后，經(jīng)分束棱鏡分為透射和反射兩束光。[〇〇38]信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)包括兩個(gè)相互垂直放置光電探測(cè)器，一個(gè)作為信號(hào)探測(cè)器，另一個(gè)作為參考探測(cè)器，經(jīng)分束棱鏡后，有33 %光到達(dá)信號(hào)探測(cè)器，66 %光到達(dá)參考探測(cè)器，參考探測(cè)器前設(shè)置有狹縫狀光闌，作為粒子是否處于景深的判據(jù)，使得只有探測(cè)距離大于聚焦中心1.5mm的粒子的前向散射光能進(jìn)入?yún)⒖继綔y(cè)器，而信號(hào)探測(cè)器只探測(cè)距離小于聚焦中心1.5mm的粒子的前向散射光。
[0039]本實(shí)施例中，探頭基體還連接有探頭支架，探頭采用氣密性結(jié)構(gòu)，在各元器件安裝調(diào)試完成后將探頭抽真空，然后注入干燥氮?dú)?，可防止探頭在低溫條件下內(nèi)部結(jié)露，以保證系統(tǒng)相關(guān)元器件的正常工作。
[0040]信號(hào)處理和控制電路21通過分布于兩個(gè)窗口鏡和激光器2周圍的溫度傳感器19對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制，并通過對(duì)激光器電壓的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器功率的穩(wěn)定控制。緊貼激光器2安裝溫度傳感器19和加熱器9。溫度傳感器19輸出的數(shù)據(jù)送到信號(hào)處理及系統(tǒng)控制電路 21，對(duì)溫度傳感器19的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分析，當(dāng)激光器周圍溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，信號(hào)處理和控制電路21啟動(dòng)加熱器9對(duì)激光器2進(jìn)行加熱。窗口鏡附近安裝溫度傳感器19和加熱器9，當(dāng)箱體外部溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，加熱器9啟動(dòng)，對(duì)窗口鏡進(jìn)行加熱，以防止窗口鏡上有水滴凝結(jié)或結(jié)冰。
[0041]參閱圖2所示，激光射向外部空間，形成空間采樣區(qū)11?？臻g采樣區(qū)11內(nèi)有大氣中存在的云粒子25通過時(shí)，對(duì)激光產(chǎn)生米氏散射，米氏前向散射光被信號(hào)收集系統(tǒng)收集，導(dǎo)引至光電探測(cè)器15。
[0042]光電探測(cè)器15接收的為弱脈沖信號(hào)，故信號(hào)放大電路16米用三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，第一級(jí)使用低噪聲放大器，第二級(jí)為增益可控放大器，實(shí)現(xiàn)四檔增益選擇，第三級(jí)為功率放大器。第二、三級(jí)放大均處于信號(hào)放大電路16上，放大后的信號(hào)送到信號(hào)處理和控制電路21，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與處理。根據(jù)云粒子25尺度大小，數(shù)據(jù)分類為15個(gè)通道，在預(yù)設(shè)的時(shí)間段內(nèi)累計(jì)每個(gè)通道的粒子數(shù)目，然后送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，計(jì)算出不同大小的云滴的分布譜。
[0043]由上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明只用一只光強(qiáng)度分布均勻激光器作為發(fā)射源，利用聚焦光學(xué)系統(tǒng)在焦點(diǎn)附件形成粒子散射探測(cè)區(qū)，即保證了散射區(qū)的光均勻性和增加了散射光強(qiáng)度。散射信號(hào)經(jīng)過分束棱鏡按比例到達(dá)兩個(gè)探測(cè)器，一個(gè)探測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度確定粒子大小，另一個(gè)探測(cè)儀的信號(hào)強(qiáng)度確定散射區(qū)面積，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量粒子的大小，統(tǒng)計(jì)粒徑分布，計(jì)算水汽濃度。解決了現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)復(fù)雜，制造成本高，容易導(dǎo)致信號(hào)誤判影響測(cè)量準(zhǔn)確性以及功能單一的問題。
[0044]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括:探頭，包括探頭基體和探頭支架，探頭基體包括箱體(1 )，箱體(1)包括平行設(shè)置且各自 獨(dú)立密封的探頭第一臂(22)和探頭第二臂(23)，探頭第一臂(22)內(nèi)設(shè)置激光發(fā)射系統(tǒng)、聚 焦光學(xué)系統(tǒng)，探頭第二臂(23)內(nèi)設(shè)置散射光收集系統(tǒng)、信號(hào)探測(cè)系統(tǒng);探頭第一臂(22)和探 頭第二臂(23)上設(shè)置有位置相對(duì)的第一窗口鏡(10)和第二窗口鏡(10’)；激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā) 出光束，光束經(jīng)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦，經(jīng)由第一窗口鏡(10)射向第二窗口鏡(10’)，光束在第 一窗口鏡(10)和第二窗口鏡(10’)之間形成空間采樣區(qū)(11)，進(jìn)入探頭第二臂(23)的光束 經(jīng)散射光收集系統(tǒng)遮擋直射光、收集云粒子前向散射光、控制景深，進(jìn)一步傳輸至信號(hào)探測(cè) 系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)散射脈沖信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，輸出電信號(hào)；信號(hào)探測(cè)電路系統(tǒng)，設(shè)置在探頭第一臂(22)和探頭第二臂(23)之間的連接箱體中，信 號(hào)探測(cè)電路系統(tǒng)包括信號(hào)放大電路(16)，與信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)通過傳輸電纜(17)連接，實(shí)現(xiàn)電 信號(hào)的放大輸出；信號(hào)處理和控制電路系統(tǒng)，設(shè)置在箱體(1)外部的電子箱機(jī)箱(20)中，其包括信號(hào)處理 和控制電路(21)，通過傳輸電纜(17)連接信號(hào)放大電路(16)和外部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(18)，經(jīng)信 號(hào)放大電路(16)放大后的信號(hào)送到信號(hào)處理和控制電路(21)，信號(hào)處理和控制電路(21)將 測(cè)量到的最大信號(hào)幅度與分離測(cè)量的粒子散射參考電壓信號(hào)進(jìn)行比較，輸出值經(jīng)傳輸電纜 (17)送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(18)，對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，計(jì)算得出大氣中的云滴譜數(shù)據(jù)，并由計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)(18)顯示輸出。2.如權(quán)利要求1所述的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光發(fā)射系統(tǒng) 包括激光器(2)、光纖(3)、光纖連接器(4)和準(zhǔn)直器(5)，激光器(2)為光束均勻的高階模紅 光半導(dǎo)體激光器，激光器(2)通過光纖(3)和光纖連接器(4)連接準(zhǔn)直器(5)。3.如權(quán)利要求2所述的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器(2)還 與信號(hào)處理和控制電路(21)連接，通過信號(hào)處理和控制電路(21)進(jìn)行輸出功率監(jiān)測(cè)，控制 激光器(2)的輸出功率及溫度。4.如權(quán)利要求2所述的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述聚焦光學(xué)系統(tǒng) 包括光闌(6)、第一聚焦透鏡(7)、第一轉(zhuǎn)折鏡(8)，光纖(3)發(fā)出的紅光經(jīng)準(zhǔn)直器(5)準(zhǔn)直為 平行光束，平行光束被光闌(6)切割，然后第一聚焦透鏡(7)將平行光束聚焦，第一轉(zhuǎn)折鏡 (8)將聚焦光束定位在第一窗口鏡(10)外部的空間中，形成一段光強(qiáng)均勻的空間采樣區(qū) (11)〇5.如權(quán)利要求4所述的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述散射光收集系 統(tǒng)包括紅玻璃掩膜(12 )、第二轉(zhuǎn)折鏡(8 ’)、第二聚焦透鏡(13)和分束棱鏡(14 )，紅玻璃掩膜 (12)貼于第二窗口鏡(10 ’)上，用于遮擋直射的光束，紅玻璃掩膜(12)與第二轉(zhuǎn)折鏡(8 ’)的 間距尺寸以能夠使與入射方向夾角為4?12°的散射光達(dá)到第二聚焦透鏡(13)為準(zhǔn)，第二聚 焦透鏡(13)將散射光匯聚，匯聚光經(jīng)分束棱鏡(14)后，分為透射和反射兩束光。6.如權(quán)利要求5所述的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)探測(cè)系統(tǒng) 包括兩個(gè)相互垂直放置的光電探測(cè)器，一個(gè)作為信號(hào)探測(cè)器，另一個(gè)作為參考探測(cè)器，經(jīng)分 束棱鏡后，有33 %光到達(dá)信號(hào)探測(cè)器，66 %光到達(dá)參考探測(cè)器，參考探測(cè)器前設(shè)置有狹縫狀 光闌，作為粒子是否處于景深的判據(jù)，使得只有探測(cè)距離大于聚焦中心1.5mm的粒子的前向 散射光能進(jìn)入?yún)⒖继綔y(cè)器，而信號(hào)探測(cè)器只探測(cè)距離小于聚焦中心1.5mm的粒子的前向散射光。7.如權(quán)利要求1所述的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述探頭基體還連接有探頭支架，探頭支架設(shè)置在連接箱體處。8.如權(quán)利要求1所述的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理和控制電路(21)通過分布于兩個(gè)窗口鏡和激光器(2)周圍的溫度傳感器(19)對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行控制，并通過對(duì)激光器電壓的監(jiān)測(cè)對(duì)激光器功率實(shí)現(xiàn)控制。9.如權(quán)利要求8所述的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，緊貼所述激光器(2)安裝溫度傳感器(19)和加熱器(9)，溫度傳感器(19)輸出的數(shù)據(jù)送到信號(hào)處理及系統(tǒng)控制電路(21)，對(duì)溫度傳感器(19)的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分析，當(dāng)激光器周圍溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，信號(hào)處理和控制電路(21)啟動(dòng)加熱器(9)對(duì)激光器(2)進(jìn)行加熱;窗口鏡附近安裝溫度傳感器(19)和加熱器(9)，當(dāng)箱體外部溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，加熱器(9)啟動(dòng)，對(duì)窗口鏡進(jìn)行加熱，以防止窗口鏡上有水滴凝結(jié)或結(jié)冰。10.如權(quán)利要求1所述的激光前向散射云滴譜探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)放大電路(16)采用三級(jí)放大結(jié)構(gòu)，第一級(jí)使用低噪聲放大器，第二級(jí)為增益可控放大器，實(shí)現(xiàn)四檔增益選擇，第三級(jí)為功率放大器。
【文檔編號(hào)】G01N15/02GK106053303SQ201610326791
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月18日
【發(fā)明人】楊澤后, 郭學(xué)良, 史曉丁, 王東吉, 樊冬, 杜運(yùn)理, 李曉鋒, 陳涌, 呂明愛, 張國娟, 彭濤, 伍波, 周鼎富
【申請(qǐng)人】西南技術(shù)物理研究所