CN115420711A - 一种可变焦激光校准的大气透射仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变焦激光校准的大气透射仪及其测量方法，包括发射端和接收端；所述发射端包括激光器、电控位移台、第一汇聚透镜、准直透镜、第一宽带分光棱镜、第二汇聚透镜、第一硅光电二极管探测器和发射窗口；所述接收端包括接收窗口、第三汇聚透镜、第二宽带分光棱镜、CCD探测器和第二硅光电二极管探测器；校准时，采用准直激光作为校准光源；实时测量时，采用扩束激光作为测量光源。本发明既能够采用扩束激光稳定、准确测量大气消光系数，避免在恶劣环境下震动、强风等因素对装置的影响，又能够通过激光变焦方式，将发射的激光通过接收端全部接收，用于定期校准，从而提高装置测量的准确性。

Description

一种可变焦激光校准的大气透射仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及大气能见度测量技术领域，特别涉及一种可变焦激光校准的大气透射仪及其测量方法。

背景技术

大气透射仪是一种测量大气能见度的仪器。通常装置包括发射端与接收端两部分。发射端将一束光发射，经过一定距离的传输，在接收端接收光强信号。通过测量接收光强度与发射光强度，根据吸收定律，便能够获得大气的消光系数。典型的大气吸收规律，满足朗伯比尔定律：

I＝I₀exp(-αd)

其中I₀与I分别代表入射光强度与接收光强度。α为大气消光系数，d为光传输距离。

为了测量大气消光系数，通常将大气透射仪分为两大类。根据光源类型的不同，可以分为激光作为光源的对准型大气透射仪与普通发光二极管作为发散光源的大气透射仪。为了能够准确测量大气消光系数，激光作为光源的大气透射仪需要严格将发射与接收端对准，并严格控制激光光斑直径，从而使得发射的激光全部被接收端接收。该类型的透射仪所获得的大气消光系数理论而言是最准确的。由于已经能够接收到全部发射的光，装置不需要定期校准，能够实时准确反映大气消光系数数值。然而由于装置所在外部环境的变化，如震动、狂风等因素。可能导致对准型大气透射仪出现激光光斑偏移，使得接收端无法接收端激光，读数出现偏差。从而需要采用辅助机械机构帮助装置微调，提高装置的准确性。

采用发光二极管作为光源的大气透射仪，由于采用发散光源，接收端与发射端仅仅需要在安装时进行一次有效对准。即使装置在外部环境影响下发射微小偏移，接收端仍然能够接收到发射光的光源，仍然能够根据吸收定律计算大气消光系数。然而由于装置的微小偏移，使得所测量的光强度及其计算的大气消光系数与真实值出现偏差。因此采用发光二极管作为光源的大气透射仪需要定期校准。世界著名的大气透射仪生产商，芬兰的Vaisala公司所生产的大气透射仪几乎占领了国际和国内市场。其所研制的大气透射仪采用发射的，发光二极管作为光源，并携带前向散射式能见度测量仪对透射仪进行定期校准，用以消除光源长期衰减、光源偏移等因素导致的接收光强度变化。然而其定期校准所采用的前向散射仪是一种误差更大的仪器。因此采用该前向散射仪对透射仪进行校准，存在很大的误差。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种可变焦激光校准的大气透射仪及其测量方法，采用一束激光既作为大气消光系数实时测量光源又作为校准光源。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可变焦激光校准的大气透射仪，包括发射端和接收端；所述发射端包括激光器、电控位移台、第一汇聚透镜、准直透镜、第一宽带分光棱镜、第二汇聚透镜、第一硅光电二极管探测器和发射窗口；所述接收端包括接收窗口、第三汇聚透镜、第二宽带分光棱镜、CCD探测器和第二硅光电二极管探测器；所述激光器、所述电控位移台、所述准直透镜、所述第一宽带分光棱镜和所述发射窗口从左至右设置成一排，所述第一汇聚透镜设置于所述电控位移台上方，并能够随所述电控位移台进行一维左右移动，所述第一宽带分光棱镜的反光侧依次设置所述第二汇聚透镜和所述第一硅光电二极管探测器；正对所述发射窗口处设置所述接收窗口，所述接收窗口右侧依次设置所述第三汇聚透镜、所述第二宽带分光棱镜和所述CCD探测器，所述第二宽带分光棱镜的反光侧设置所述第二硅光电二极管探测器。

进一步的，所述激光器为532nm波长的激光器。

进一步的，所述电控位移台为一维精密电控位移台。

进一步的，校准时，所述发射端发射准直激光作为校准光源；即通过调节所述电控位移台，使所述第一汇聚透镜的焦点相对于所述准直透镜的焦点对焦，将所述激光器产生的激光准直后照射至所述接收端。

进一步的，所述接收端采用所述第三汇聚透镜与所述CCD探测器对接收到的准直激光进行汇聚探测，判断所述发射端与所述接收端是否对齐；即准直激光经所述第三汇聚透镜汇聚后，在所述CCD探测器表面产生一个光斑点，通过所述光斑点在所述CCD探测器的相对位置判断所述准直激光是否被所述接收端全部接收、所述发射端与所述接收端是否对齐。

进一步的，实时测量时，采用扩束激光作为测量光源；即通过调节所述电控位移台，使所述第一汇聚透镜的焦点相对于所述准直透镜的焦点离焦，将所述激光器发出的激光变焦，从而产生扩束激光照射至所述接收端，所述扩束激光被所述接收端的接收窗口部分接收。

基于以上内容任一所述的一种可变焦激光校准的大气透射仪的测量方法，包括以下步骤：

Step1.所述激光器发出一束激光，调节所述电控位移台将放置于其上的所述第一汇聚透镜沿着光束传输方向移动，使所述第一汇聚透镜的焦点相对于所述准直透镜的焦点对焦，激光光束经过所述第一汇聚透镜与所述准直透镜后被所述第一宽带分光棱镜分为发射反射光和准直激光，所述发射反射光经所述第二汇聚透镜汇聚至所述第一硅光电二极管探测器用于探测发射光强度，所述准直激光经所述发射窗***出进入大气中，用于测量大气透过率，所述准直激光经过所述接收窗口并被所述第三汇聚透镜汇聚为接收光，所述接收光被所述第二宽带分光棱镜分为接收反射光和接收透射光，所述接收反射光被直接汇聚于所述第二硅光电二极管探测器用于探测接收光强度，所述接收透射光汇聚至所述CCD探测器，在所述CCD探测器表面产生一个光斑点；通过所述光斑点在所述CCD探测器的相对位置判断所述发射端与所述接收端是否对齐，调节所述发射端与所述接收端的相对位置使其对齐；此时所述发射端发射的准直激光被所述接收端全部接收，分别读取此时的发射光强度A、接收光强度A，计算得到大气透过率A、大气消光系数A，其数值为准确值；大气透过率为接收光强度与发射光强度的比值；

Step2.调节所述电控位移台，使所述第一汇聚透镜的焦点相对于所述准直透镜的焦点离焦，使激光光束产生扩展效应，形成扩束激光，所述发射端发射所述扩束激光，所述接收端接收到的光斑面积大于所述接收窗口，此时所述接收端测得接收光强度B，计算所述接收光强度A和所述接收光强度B的比值K，作为转换系数；

Step3.实时测量大气消光系数时，所述发射端测得发射光强度C，所述接收端接收所述发射端发射的扩束激光，测得接收光强度C，通过所述转换系数K将所述接收光强度C转化为接收光强度C’，根据所述接收光强度C’与所述发射光强度C计算得到大气透过率C、大气消光系数C，其数值为准确值。换算的原理依据是大气透过率的计算是用接收光强度与发射光强度的比例得到的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明既能够采用扩束激光稳定、准确测量大气消光系数，避免在恶劣环境下震动、强风等因素对装置的影响，又能够通过激光变焦方式，将发射的激光通过接收端全部接收，用于定期的实时校准，从而提高装置测量的准确性。本发明装置结构简单、稳定性高，同时激光自动变焦能够显著降低装置成本，从而具有较高的创新性与应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种可变焦激光校准的大气透射仪的发射光采用准直激光时的示意图；

图2为本发明提供的一种可变焦激光校准的大气透射仪的发射光采用扩束激光时的示意图。

附图标记说明：

1、发射端；2、激光器；3、电控位移台；4、第一汇聚透镜；5、准直透镜；6、第一宽带分光棱镜；7、第二汇聚透镜；8、第一硅光电二极管探测器；9、发射窗口；10、接收窗口；11、第三汇聚透镜；12、第二宽带分光棱镜；13、CCD探测器；14、第二硅光电二极管探测器；15、接收端。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

实施例1

一种可变焦激光校准的大气透射仪，如图1所示，包括发射端1和接收端15；所述发射端1包括激光器2、电控位移台3、第一汇聚透镜4、准直透镜5、第一宽带分光棱镜6、第二汇聚透镜7、第一硅光电二极管探测器8和发射窗口9；所述接收端15包括接收窗口10、第三汇聚透镜11、第二宽带分光棱镜12、CCD探测器13和第二硅光电二极管探测器14；所述激光器2、所述电控位移台3、所述准直透镜5、所述第一宽带分光棱镜6和所述发射窗口9从左至右设置成一排，所述第一汇聚透镜4设置于所述电控位移台3上方，并能够随所述电控位移台3进行一维左右移动，所述第一宽带分光棱镜6的反光侧依次设置所述第二汇聚透镜7和所述第一硅光电二极管探测器8；正对所述发射窗口9处设置所述接收窗口10，所述接收窗口10右侧依次设置所述第三汇聚透镜11、所述第二宽带分光棱镜12和所述CCD探测器13，所述第二宽带分光棱镜12的反光侧设置所述第二硅光电二极管探测器14。所述第一硅光电二极管探测器8和第二硅光电二极管探测器14分别用来测量发射光强度和接收光强度。

进一步的，所述激光器2为532nm波长的激光器。

进一步的，所述电控位移台3为一维精密电控位移台。

进一步的，校准时，所述发射端1发射准直激光作为校准光源；即通过调节所述电控位移台3，使所述第一汇聚透镜4的焦点相对于所述准直透镜5的焦点对焦，将所述激光器2产生的激光准直后照射至所述接收端15。

进一步的，所述接收端15采用所述第三汇聚透镜11与所述CCD探测器13对接收到的准直激光进行汇聚探测，判断所述发射端1与所述接收端15是否对齐；即准直激光经所述第三汇聚透镜11汇聚后，在所述CCD探测器13表面产生一个光斑点，通过所述光斑点在所述CCD探测器13的相对位置判断所述准直激光是否被所述接收端15全部接收、所述发射端1与所述接收端15是否对齐。

进一步的，如图2所示，实时测量时，采用扩束激光作为测量光源；即通过调节所述电控位移台3，使所述第一汇聚透镜4的焦点相对于所述准直透镜5的焦点离焦，将所述激光器2发出的激光变焦，从而产生扩束激光照射至所述接收端15，所述扩束激光被所述接收端15的接收窗口10部分接收。

实施例2

基于以上内容任一所述的一种可变焦激光校准的大气透射仪的测量方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：

Step1.所述激光器2发出一束激光，调节所述电控位移台3将放置于其上的所述第一汇聚透镜4沿着光束传输方向移动，使所述第一汇聚透镜4的焦点相对于所述准直透镜5的焦点对焦，激光光束经过所述第一汇聚透镜4与所述准直透镜5后被所述第一宽带分光棱镜6分为发射反射光和准直激光，所述发射反射光经所述第二汇聚透镜7汇聚至所述第一硅光电二极管探测器8用于探测发射光强度，所述准直激光经所述发射窗口9射出进入大气中，用于测量大气透过率，所述准直激光经过所述接收窗口10并被所述第三汇聚透镜11汇聚为接收光，所述接收光被所述第二宽带分光棱镜12分为接收反射光和接收透射光，所述接收反射光被直接汇聚于所述第二硅光电二极管探测器14用于探测接收光强度，所述接收透射光汇聚至所述CCD探测器13，在所述CCD探测器13表面产生一个光斑点；通过所述光斑点在所述CCD探测器13的相对位置判断所述发射端1与所述接收端15是否对齐，调节所述发射端1与所述接收端15的相对位置使其对齐；此时所述发射端1发射的准直激光被所述接收端15全部接收，分别读取此时的发射光强度A、接收光强度A，计算得到大气透过率A、大气消光系数A，其数值为准确值；大气透过率为接收光强度与发射光强度的比值；

Step2.调节所述电控位移台3，使所述第一汇聚透镜4的焦点相对于所述准直透镜5的焦点离焦，使激光光束产生扩展效应，形成扩束激光，所述发射端1发射所述扩束激光，所述接收端15接收到的光斑面积大于所述接收窗口10，此时所述接收端15测得接收光强度B，计算所述接收光强度A和所述接收光强度B的比值K，作为转换系数；此时所述接收端15得到的激光强度因为扩束原因显著降低，计算所得的大气透过率数值并不能反映实际的准确值，因为Step2与Step1是在相同发射光强度和相同外界条件下测得，此时的接收光强度B可以与Step1的接收光强度A进行等比例换算；

Step3.实时测量大气消光系数时，所述发射端1测得发射光强度C，所述接收端15接收所述发射端1发射的扩束激光，测得接收光强度C，通过所述转换系数K将所述接收光强度C转化为接收光强度C’，根据所述接收光强度C’与所述发射光强度C计算得到大气透过率C、大气消光系数C，其数值为准确值。换算的原理依据是大气透过率的计算是用接收光强度与发射光强度的比例得到的。

以上通过实施例对本发明实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明实施例的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明实施例的实施范围。本发明实施例的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明实施例所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明实施例技术方案的启发下，在本发明实施例的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明实施例的专利涵盖保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可变焦激光校准的大气透射仪，其特征在于，包括发射端(1)和接收端(15)；所述发射端(1)包括激光器(2)、电控位移台(3)、第一汇聚透镜(4)、准直透镜(5)、第一宽带分光棱镜(6)、第二汇聚透镜(7)、第一硅光电二极管探测器(8)和发射窗口(9)；所述接收端(15)包括接收窗口(10)、第三汇聚透镜(11)、第二宽带分光棱镜(12)、CCD探测器(13)和第二硅光电二极管探测器(14)；所述激光器(2)、所述电控位移台(3)、所述准直透镜(5)、所述第一宽带分光棱镜(6)和所述发射窗口(9)从左至右设置成一排，所述第一汇聚透镜(4)设置于所述电控位移台(3)上方，并能够随所述电控位移台(3)进行一维左右移动，所述第一宽带分光棱镜(6)的反光侧依次设置所述第二汇聚透镜(7)和所述第一硅光电二极管探测器(8)；正对所述发射窗口(9)处设置所述接收窗口(10)，所述接收窗口(10)右侧依次设置所述第三汇聚透镜(11)、所述第二宽带分光棱镜(12)和所述CCD探测器(13)，所述第二宽带分光棱镜(12)的反光侧设置所述第二硅光电二极管探测器(14)。

2.根据权利要求1所述的一种可变焦激光校准的大气透射仪，其特征在于，所述激光器(2)为532nm波长的激光器。

3.根据权利要求1所述的一种可变焦激光校准的大气透射仪，其特征在于，所述电控位移台(3)为一维精密电控位移台。

4.根据权利要求1所述的一种可变焦激光校准的大气透射仪，其特征在于，校准时，所述发射端(1)发射准直激光作为校准光源；即通过调节所述电控位移台(3)，使所述第一汇聚透镜(4)的焦点相对于所述准直透镜(5)的焦点对焦，将所述激光器(2)产生的激光准直后照射至所述接收端(15)。

5.根据权利要求1所述的一种可变焦激光校准的大气透射仪，其特征在于，所述接收端(15)采用所述第三汇聚透镜(11)与所述CCD探测器(13)对接收到的准直激光进行汇聚探测，判断所述发射端(1)与所述接收端(15)是否对齐；即准直激光经所述第三汇聚透镜(11)汇聚后，在所述CCD探测器(13)表面产生一个光斑点，通过所述光斑点在所述CCD探测器(13)的相对位置判断所述准直激光是否被所述接收端(15)全部接收、所述发射端(1)与所述接收端(15)是否对齐。

6.根据权利要求1所述的一种可变焦激光校准的大气透射仪，其特征在于，实时测量时，采用扩束激光作为测量光源；即通过调节所述电控位移台(3)，使所述第一汇聚透镜(4)的焦点相对于所述准直透镜(5)的焦点离焦，将所述激光器(2)发出的激光变焦，从而产生扩束激光照射至所述接收端(15)，所述扩束激光被所述接收端(15)的接收窗口(10)部分接收。

7.基于以上权利要求1-6任一所述的一种可变焦激光校准的大气透射仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1.所述激光器(2)发出一束激光，调节所述电控位移台(3)将放置于其上的所述第一汇聚透镜(4)沿着光束传输方向移动，使所述第一汇聚透镜(4)的焦点相对于所述准直透镜(5)的焦点对焦，激光光束经过所述第一汇聚透镜(4)与所述准直透镜(5)后被所述第一宽带分光棱镜(6)分为发射反射光和准直激光，所述发射反射光经所述第二汇聚透镜(7)汇聚至所述第一硅光电二极管探测器(8)用于探测发射光强度，所述准直激光经所述发射窗口(9)射出进入大气中，用于测量大气透过率，所述准直激光经过所述接收窗口(10)并被所述第三汇聚透镜(11)汇聚为接收光，所述接收光被所述第二宽带分光棱镜(12)分为接收反射光和接收透射光，所述接收反射光被直接汇聚于所述第二硅光电二极管探测器(14)用于探测接收光强度，所述接收透射光汇聚至所述CCD探测器(13)，在所述CCD探测器(13)表面产生一个光斑点；通过所述光斑点在所述CCD探测器(13)的相对位置判断所述发射端(1)与所述接收端(15)是否对齐，调节所述发射端(1)与所述接收端(15)的相对位置使其对齐；此时所述发射端(1)发射的准直激光被所述接收端(15)全部接收，分别读取此时的发射光强度A、接收光强度A，计算得到大气透过率A、大气消光系数A，其数值为准确值；

Step2.调节所述电控位移台(3)，使所述第一汇聚透镜(4)的焦点相对于所述准直透镜(5)的焦点离焦，使激光光束产生扩展效应，形成扩束激光，所述发射端(1)发射所述扩束激光，所述接收端(15)接收到的光斑面积大于所述接收窗口(10)，此时所述接收端(15)测得接收光强度B，计算所述接收光强度A和所述接收光强度B的比值K，作为转换系数；

Step3.实时测量大气消光系数时，所述发射端(1)测得发射光强度C，所述接收端(15)接收所述发射端(1)发射的扩束激光，测得接收光强度C，通过所述转换系数K将所述接收光强度C转化为接收光强度C’，根据所述接收光强度C’与所述发射光强度C计算得到大气透过率C、大气消光系数C，其数值为准确值。

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