[發明專利]亞微秒級二維光學觀測裝置

在審

• 申請號: 201810425514.X
• 申請日: 2018-05-07
• 公開（公告）號: CN108681059A
• 公開（公告）日: 2018-10-19
• 發明（設計）人: 張琪;王建寶;邱實;黃立洋;羅小軍;石立華
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學
• 主分類號: G02B23/12
• 分類號: G02B23/12
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 吳茂杰

本發明公開一種亞微秒級二維光學觀測裝置，包括：信號捕捉單元(1)，用于在平行于陣列平面的維度捕捉二維發展的光信號；光電轉換單元(2)，用于實現光信號的光電轉換；信號采集存儲單元(3)，用于完成信號采集，并實現波形的數字化存儲；所述光電轉換單元(2)的輸入端通過光纜(4)與信號捕捉單元(1)的輸出端相連，光電轉換單元(2)的輸出端通過同軸電纜(5)與信號采集存儲單元(3)的輸入端相連。本發明的亞微秒級二維光學觀測裝置，能夠同時觀測瞬態光過程的強度、上升時間和二維發展速度。

技術領域

本發明屬于光學觀測設備技術領域，特別是一種能夠同時觀測瞬態光過程的強度、上升時間和二維發展速度，且便于擴充，觀測精度高的亞微秒級二維光學觀測裝置。

背景技術

對于雷電防護系統的合理設計而言，正確地認識先導連接過程至關重要，但雷電發展的隨機性使其先導連接過程復雜多變，致使當前對連接過程的理解仍然比較欠缺。相比電學手段，光學觀測可以清晰直觀地呈現先導的通道形狀、步進速度以及雷暴強度等細節特性。

由于上行先導持續時間短、尺度小，對其進行高時空分辨率的光學觀測并非易事，究其原因在于，其中的部分過程大都出現在亞微秒尺度，常規的技術手段無法對其進行充分捕捉。雖然高速攝像機在先導觀測領域應用十分廣泛，但是根據在實驗室長間隙放電模擬和人工引雷實驗中的觀測可知，只有當攝像機幀率高于30萬幀/秒時，才能較為清晰地捕捉到先導起始過程。然而，在實際應用中，為了確保攝像系統的視野及空間分辨率，攝像機一般不會保持如此高的拍攝速率，且其價格高昂。

現有高速光學觀測裝置如中國發明專利申請“一種高速光學測速裝置”(申請號：201510144476.7，公開日：2015-06-10，授權日：2015-12-30)，其包括信號捕捉模塊、噪聲抑制模塊、信號調理模塊以及信號采集存儲等模塊。但該高速光學測速裝置信號捕捉模塊中的感光陣列為一維高速光電二極管陣列。光電二極管體積相對較大，難以在光學鏡頭的焦平面上擴充數量。此外，該高速光學測速裝置雖時間分辨率滿足觀測需求，但其主要關注先導垂直方向的發展速度，無法同時觀測先導水平方向發展速度。

因此，現有技術存在的問題是：亞微秒級光學觀測裝置不能觀測瞬態光過程的二維發展速度，擴充不便，精度不高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種亞微秒級二維光學觀測裝置，能夠同時觀測瞬態光過程的強度、上升時間和二維發展速度，且便于擴充，觀測精度高。

實現本發明目的的技術解決方案為：

一種亞微秒級二維光學觀測裝置，包括：

信號捕捉單元1，用于在平行于陣列平面的維度捕捉二維發展的光信號；

光電轉換單元2，用于實現光信號的光電轉換；

信號采集存儲單元3，用于完成信號采集，并實現波形的數字化存儲；

所述光電轉換單元2的輸入端通過光纜4與信號捕捉單元1的輸出端相連，光電轉換單元2的輸出端通過同軸電纜5與信號采集存儲單元3的輸入端相連。

本發明與現有技術相比，其顯著優點為：

1、能夠同時觀測瞬態光過程的強度、上升時間和二維發展速度：瞬態光過程在發展過程中透過光學鏡頭被光纖陣列平面上的光纖依次捕捉，根據相似三角形原理，垂直維度的光纖響應可以反推瞬態光過程的垂直發展速度，水平維度的光纖響應可以反推瞬態光過程的水平發展速度；光纖捕捉到的波形的上升沿和峰值分別代表了瞬態光過程的上升時間和相對光強。

2、方便擴充：信號捕捉單元中全介質光纜直徑小，數量擴充較為方便；

3、觀測精度高：光電轉換模塊置于屏蔽殼體，屏蔽效能100dB以上，確保了裝置的觀測精度；

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細描述。