[發明專利]一種高精度大氣透過率測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201310276257.5
• 申請日: 2013-07-02
• 公開（公告）號: CN103344614A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發明（設計）人: 程寅;劉文清;桂華僑;劉建國;陸亦懷;苗少寶
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/59
• 分類號: G01N21/59
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;顧煒

技術領域

本發明涉及一種高精度水平大氣透過率測量裝置和方法，屬于光輻射能量在大氣中傳播時透過率測量裝置。

背景技術

大氣透過率是反映大氣光學特征的一個重要參數，大氣分子的吸收、散射，以及云、霧、雨、雪、灰霾等微粒的散射造成了光傳播的能量衰減。大氣透過率在氣象、軍事、大氣環境監測等領域中都具有重要的參考價值，對激光大氣工程（如通信、制導、測距、雷達和高功率傳輸等）和部分光學工程（如能見度測量、成像、遙感等）具有重要的意義。通過對大氣透過率高精度的測量，能為多種光學工程系統的論證、研制、試驗、仿真提供服務。

在大氣透過率測量方法上，國內的多家科研院所都做了大量的研究工作，包括通過激光雷達后相散射測量大氣透過率、直接測量光衰減得到大氣透過率等。目前在直接測量光衰減得到大氣透過率的裝置中：多采用機械式斬光器調制光源，存在頻率調制低、穩定性差，難以得到在弱信號檢測中所需的穩定、高頻率的調制信號的問題，影響了測量精度；同時，為了監測光源強度變化，多數采用雙探測器測量通道，相應的配套光路調試很復雜，由于雙探測器測量通道的不一致性，也給測量帶來很大的誤差。

發明內容

本發明的解決問題：克服現有技術的不足，提供一種高精度大氣透過率測量裝置及測量方法，實現了長距離基線上的大氣透過率精確測量，有效地提高了大氣透過率測量系統的精確性，為大氣透過率、消光系數等參數的精確測量提供了技術保障，且結構簡單、調試方便、穩定性高。

本發明的技術解決方案：一種高精度大氣透過率測量測量，包括發射端：激光器、激光器尾纖、第一光纖切換開關單元、第一光纖、光纖衰減器、第二光纖、光纖準直器、第三光纖，發射端控制信號線；接收端：光纖接收準直器，脈沖發生器、第四光纖、第二光纖切換開光單元、探測器光纖、探測器單元、鎖定放大器、接收端控制信號線、信號處理單元。所述激光器通過激光器尾纖連接至第一光纖切換開關單元的輸入端。第一光纖切換開關單元的輸出端分別通過第一光纖輸入至光纖衰減器、第二光纖進入光纖準直器。光纖接收準直器在光纖準直器的對面，接收通過光纖準直器發出的激光，光纖準直器和光纖接收準直器之間作為被測的大氣空間。光纖接收準直器通過第四光纖連接到第二光纖切換開關單元輸入端。光纖衰減器通過第三光纖也連接到第二光纖切換開關單元輸入端。第二光纖切換開關單元輸出端通過探測器光纖連接到探測器單元，探測器轉換后的電信號傳輸至鎖定放大器單元上進行解調，解調后的信號傳輸至信號處理單元進行信號處理。脈沖發生器通過發射端控制線、接收端控制線連接至第一光纖切換開關單元、第二光纖切換開關單元、鎖定放大器單元，發送脈沖控制信號控制光纖切換開光單元和用于鎖定放大器的參考信號。

本發明的測量方法：激光器發出的激光經過激光器尾纖后進入第一光纖切換開關單元，在脈沖發生器的脈沖控制下，第一光纖切換開關單元把輸入激光輪流切換輸出：通過第一光纖輸入至光纖衰減器并經過光纖衰減器衰減后通過第三光纖進入第二光纖切換開關單元，在脈沖發生器的脈沖控制下通過第二光纖切換開關單元把光導入探測器光纖，作為監視光源強度的參考光；通過第二光纖進入光纖準直器，經過光纖準直器準直后進入開放空間作為測量光，測量光通過大氣衰減的后進入光纖接收準直器，并通過第四光纖導入至第二光纖切換開關單元，在脈沖發生器的脈沖控制下通過第二光纖切換開關單元把光導入探測器光纖，作為探測大氣透過率的測量光。參考光、測量光通過探測器光纖導入到探測器中，經過光電轉化和前置放大后進入鎖定放大器。所述信號發生器輸入鎖定放大器脈沖控制信號，對輸入的參考光、測量光分別進行相敏檢波，并由信號處理單元對檢波后的信號進行模數轉化，通過相應的算法處理，得到大氣透過率、消光系數。

所述激光器采用帶單模尾纖輸出的半導體激光器，可以較容易地實現高耦合效率的激光輸出。

所述脈沖發生器控制信號的頻率為2.3Khz,即周期T為4.348×10^-4S，在每個周期內完成對測量、參考的一次的采樣，每個周期T中包括兩個子方波脈沖f₁、f₂，每個方波脈沖的占空比為之間間隔的時間，具體工作時序方式如下：

在周期的第一個方波脈沖f₁期間：

（1）在發射端控制第一光纖切換開關單元，控制連通激光器尾纖和第二光纖，使激光從光纖準直器輸出，形成測量光并經過開放空間，被大氣衰減后照射到光纖準直接收器；

（2）在接收端控制第二光纖切換開關單元，控制連通第四光纖和探測器光纖，將光纖準直接收器接收到的光傳導到探測器上進行光電轉化；