CN112763455A - 用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法 - Google Patents
用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，各个通道不同波长的激光光源通过多面反射锥实现准直光束的合束，同时利用共焦的凹面反射镜和凸面反射镜实现耦合光束的扩束准直优化，最终由反射镜反射输出。本发明采用表面镀有金属膜的多面反射椎实现多光束多波长的小直径高精度光束耦合，便于***光路结构的高度集成化，且采用此反射式结构即可避免常规红外透射式耦合方案的镜片膜层工艺和波段的局限性，也可避免透射式耦合结构的材料吸收损耗，具有更高的耦合效率、更长膜层寿命及更宽的光谱适应范围。
Description
技术领域
本发明涉及机动车尾气遥感检测技术领域，尤其涉及一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法。
背景技术
随着经济的快速发展，机动车尾气污染已经成为城市重要污染之一，严重影响城市空气质量，2016年，《中华人民共和国大气污染防治法》明确规定，可在不影响车辆行驶条件下去道路行驶车辆进行非接触式尾气排放检测，2017年，国家环保部编写发布了机动车遥感检测相关限制及检测方法，同年发布RJ845-2017明确给出在柴油车排气污染物测量方法及技术要求，可以看出国家对机动车排放控制越来越严格，对尾气排放遥感检测设备的检测灵敏度和准确度有着更高的要求。
现阶段，基于TDLAS的全激光尾气遥感检测路线越来越被认为是尾气遥感检测的理想技术手段，其高光谱分辨率、高灵敏度、高速的特性很是适于尾气烟团的遥感检测。在全激光尾气遥感检测***中，采用多个激光器实现尾气多组分同步测量，为了保证测得的尾气各组分相关性，需要对各通道光束进行高精度耦合，且为了保证测量光束稳定性、高环境适应性及更大的尾气烟羽覆盖范围，需要采用宽直径的高精度的耦合光束，现有技术公布了一种基于不同类型透镜的大光斑光束耦合形式，这种基于透镜的耦合形式及镜片稳定性很大程度上会受限于透镜的膜层工艺，光谱适应型不强，且基于透镜的耦合方式会带来一定的镜片吸收损耗，不利于高集成度远距离高精度尾气测量***的实现。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种可实现更远距离、高有效捕捉、高集成度的高精度耦合的用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，包括以下步骤：
1）调节固定多面反射椎：调节多面反射椎，使其法线在水平方向上；
2）调节各通道激光器，实现小直径耦合光束：共有6个激光器，每个激光器都是准直的聚焦光束，每个激光器对应一个面椎反射面，调节激光器的位置和光束出射角度，使得各个激光器平行椎底以45度角入射到各自的反射面，最终保证各个光束均为椎体法线方向出射，在椎体顶端方形成小直径多波长耦合光束，更为精准的是各个反射光束与椎顶距离为3mm，形成光束中心直径为6mm的高精度的多光束耦合光束；
3）小直径耦合光束的扩束：通过共焦放置的小凸面反射镜和大凹面反射镜对步骤2输出的小直径耦合光束进行扩束优化整形，得到光束质量均匀的大直径耦合光束
4）改变大直径耦合光束的方向：将步骤3）得到的大直径均匀的耦合光束经反射镜反射，改变光束方向使最终的大直径耦合光束平行出射，用于远距离的尾气遥感测量。
所述的多面反射椎为6面反射椎，6个侧面均匀的镀有金属反射膜（保护层金膜、银膜或或铝膜），每个激光器各对应1个面椎反射侧面，多面反射椎可以选择多于6面的多面反射椎，可采用椎角为90度的多面椎（椎底边长），也可以换成其他角度的面椎，用于实现高精度小直径的耦合光束。
所述的激光器主要用于不同气体组分和不透光度的测量，共有6个通道的激光器，其中有4个红外窄线宽半导体激光器用于尾气烟羽中CO、CO2、CH、NO测量的，1个小型半导体绿光激光器用于不透光度测量，四个气体通道常选择2um /2.3um /3.3um /5.2um波段，不透光度选择520nm波段，指示光可选择穿透力较强的红光。
所述的激光器出射角度都是可以调节的，通过调节出射角度控制打到对应反射椎侧面的位置和角度。各通道光束45度入射，入射点距离椎顶4.24mm，也可以换成其他角度的面椎，根据椎角选择合适的入射角和入射点，使最终的反射光束距离椎顶3mm。
所述的扩束准直结构主要用于小直径耦合光束的整形优化，实现光束的扩束准直，获得均匀性更好的耦合光束，由两个共焦放置的凸面反射镜和凹面反射镜组成，两者表面均为金属反射膜，凸面反射镜与凹面反射镜的焦距比例为1:3，小直径的耦合如射光束先到达短焦距的凸面反射镜，之后反射至长焦距的凹面反射镜，实现耦合光束的3倍扩束准直，也可以是不同的焦距倍数和不同类型的共焦反射镜的组合，比如共焦的凸面反射镜组合、共焦的凹面反射镜组合、共焦的离轴反射镜组合等。
本发明的优点是：本发明采用表面镀有金属膜的多面反射椎实现多光束多波长的小直径高精度光束耦合，便于***光路结构的高度集成化，且采用此反射式结构即可避免常规红外透射式耦合方案的镜片膜层工艺和波段的局限性，也可避免透射式耦合结构的材料吸收损耗，具有更高的耦合效率、更长膜层寿命及更宽的光谱适应范围；
2、本发明采用基于共焦凸凹反射镜的光束整形优化结构，该种组合在保证扩束准直倍数的同时还可以缩小空间布局，均采用金属反射膜，具有很宽的光谱适应范围，与前面的反射式耦合结构统一构成整体反射式尾气合束光路方案，可以根据实际情况采用不同的焦距组合，实现不同的光束扩束准直效果，获得不同大直径的均匀光束，适于实现更远距离更高的尾气烟团捕捉效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，包括以下步骤：包括以下步骤：
1）调节固定多面反射椎：调节多面反射椎2的整体角度，使其法线在水平方向上；
2）调节各通道激光器，实现小直径耦合光束：共有6个激光器，激光器都是准直的聚焦光束，分别对应多面椎的不同反射侧面，调节激光器一11的位置和其光束出射角度，使得激光器一11出射的入射光平行椎底以45度角入射到反射面一21，反射面一21上的入射点距离椎顶3mm，最终保证经激光器一11的反射光束沿多面反射椎体法线方向出射；调节激光器二12的位置和其光束出射角度，使得激光器二12出射的入射光平行椎底以45度角入射到反射面二22，反射面二22上的入射点距离椎顶3mm，最终保证经12的反射光束沿椎体法线方向出射；调节激光器三13的位置和其光束出射角度，使得激光器三13出射的入射光平行椎底以45度角入射到反射面三23，反射面三23上的入射点距离椎顶3mm，最终保证经13的反射光束沿椎体法线方向出射；调节激光器四14的位置和其光束出射角度，使得激光器四14出射的入射光平行椎底以45度角入射到反射面四24，反射面四24上的入射点距离椎顶3mm，最终保证经14的反射光束沿椎体法线方向出射；调节激光器五15的位置和其光束出射角度，使得激光器五15出射的入射光平行椎底以45度角入射到反射面五25，反射面五25上的入射点距离椎顶3mm，最终保证经15的反射光束沿椎体法线方向出射；调节激光器六16的位置和其光束出射角度，使得激光器六16出射的入射光平行椎底以45度角入射到反射面六26，反射面六26上的入射点距离椎顶3mm，最终保证经16的反射光束沿椎体法线方向出射；最终经过多面反射椎2反射形成中心直径为6mm的耦合光束。
3）小直径耦合光束的扩束：通过共焦放置的小凸面反射镜31和大凹面反射镜32对步骤2）输出的小直径耦合光束进行扩束优化整形，小直径耦合光束小角度入射至小凸面反射镜31，小凸面反射镜31反射至大凹面反射镜32，经大凹面反射镜32反射得到光束质量均匀的大直径耦合光束33。
4）改变大直径耦合光束的方向：将步骤3）得到的大直径均匀的耦合光33经反射镜34反射，改变光束方向使最终的大直径耦合光束35平行出射，用于远距离的尾气遥感测量。
所述步骤1）中的多面反射椎2为6面反射椎，反射面为均匀的镀有金属反射膜（保护层金膜、银膜或或铝膜），多面反射椎2的椎角为90度，即其高度与椎底边长相等，也可以换成其他角度的反射面椎，用于实现高精度小直径的耦合光束。
所述步骤2）中的激光器分别用于不同气体组分、不透光度的测量，激光器六16作为指示光，其中激光器一、二、三、四分别为红外窄线宽半导体激光器用于尾气烟羽中CO、CO2、CH、NO测量的，激光器五15为小型半导体绿光激光器用于不透光度测量，11/12/13/14通常对应选择2um /2.3um /3.3um /5.2um波段，激光器五通常选择520nm波段，指示光为穿透力较强的红光。
所述步骤3）中的小凸面反射镜31和大凹面反射镜32主要用于步骤2）的小直径耦合光束的整形优化，实现光束的扩束准直，获得均匀性更好的耦合光束，由两个共焦放置的小凸面反射镜和大凹面反射镜组成，表面均为金属反射膜，小凸面反射镜31与大凹面反射镜32的焦距比例为1:3，小直径的耦合入射光束先到达短焦距的小凸面反射镜31，之后反射至长焦距的大凹面反射镜32，实现耦合光束的3倍扩束准直，也可以是不同的焦距倍数和不同类型的共焦反射镜的组合，比如共焦的凸面反射镜组合、共焦的凹面反射镜组合、共焦的离轴反射镜组合等。
上述中一种用于机动车尾气遥测的多光路多波长合束方法原理是将6个各自准直的小光斑光束通过6面反射椎实现高精度小直径光束的耦合，然后利用共焦的凸凹面镜组成的扩束整形结构实现均匀的大直径耦合光束，这个光束结构均采用表面镀有金属膜的光学元件，这种基于金属膜的反射式合束方法，可以避免透射式结构的吸收损耗和，用于远距离多车道的尾气遥测。
当然，以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，其特征在于：包括有多面反射椎和多个激光器，具体包括如下步骤：
调节固定多面反射椎：调节多面反射椎，使其法线在水平方向上；
调节各通道激光器：每个所述激光器都是准直的聚焦光束，每个激光器对应一个多面反射椎的反射面，调节激光器的位置和光束出射角度，使得各个激光器平行椎底以45度角入射到与其对应的多面反射椎的反射面上，保证各个光束均为椎体法线方向出射，在椎体顶端形成小直径多波长耦合光束；
小直径耦合光束的扩束：所述的小直径多波长耦合光束入射至小凸面反射镜，小凸面反射镜再将小直径多波长耦合光束反射至大凹面反射镜，得到光束质量均匀的大直径耦合光束；
改变大直径耦合光束的方向：将所述的大直径耦合光束经反射镜反射，改变光束方向使最终的大直径耦合光束平行出射，用于远距离的尾气遥感测量。
2.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，其特征在于：所述的激光器共有6个，相对应的，所述多面反射椎为六面反射椎。
3.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，其特征在于：所述的多面反射椎的反射面上的各个反射光束与椎顶距离为3mm，形成光束中心直径为6mm的小直径多波长耦合光束。
4.根据权利要求2所述的一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，其特征在于：所述的6个通道的激光器，其中1个通道的激光器是指示光，其余5个通道的激光器均为窄线宽半导体激光器，分别用于尾气烟羽中CO、CO2、CH、NO、不透光度的同步测量。
5.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，其特征在于：所述的各个激光器的出射角度均为可调节的。
6.根据权利要求2所述的一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，其特征在于：所述的六面反射椎表面镀有宽波段的金属反射膜，采用椎角为90度的多面椎，各通道光束45度入射，入射角距离椎顶4.24mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气遥感检测的反射式多光路多波长耦合方法，其特征在于：所述的小凸面反射镜和大凹面反射镜的表面均为金属反射膜，小凸面反射镜与大凹面反射镜的焦距比例为1:3。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210507 |
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