CN104062236A - 一种基于腔衰荡技术的大气能见度检测装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤传感和能见度测量技术领域，特别涉及一种基于腔衰荡技术的大气能见度检测装置及应用方法。该装置包括依次设置的光源、导入光纤、谐振腔、导出光纤、光电探测器以及用于将光损耗数据进行计算得到被探测样本能见度值的数据处理单元。数据处理单元按照谐振腔的特性得出光波在谐振腔内的损耗，通过光损耗最终确定被测样本的能见度数值。本发明提出的装置结构紧凑、方法简单易懂便于实施，大大提供了被测样本能见度的检测的精度、和检测性能稳定，适用于公路交通、航海、航空、大气污染物监测等领域。

Description

一种基于腔衰荡技术的大气能见度检测装置及应用方法

技术领域

本发明属于光纤传感和能见度测量技术领域，特别涉及一种基于腔衰荡技术的大气能见度检测装置及应用方法。

背景技术

能见度是一个重要的大气光学特性参数，也是影响人们日常生活和出行的一个重要气象参数。在公路交通、航空、航海、大气污染物监测等领域，都有对能见度测量的需求。对于能见度的定义有多种形式，其中比较科学的定义是所谓气象可见视程。气象可见视程定义为：色温为2700开尔文的白炽灯所发出的平行光在大气中传播，其功率衰减为初始值的5％时所传播的距离。

目前能见度仪主要有透射式能见度仪、散射式能见度仪、激光雷达能见度仪、基于图像处理的能见度仪等。

在先技术之一：透射法

光波在大气中传播时，大气中所含有的各种固体微粒和微小液滴会导致光波的散射和吸收，对某个固定方向的观察者来说，散射和吸收的效应都表现为接收到的光功率的衰减。因此，通过测量光功率的变化，可以得到大气能见度值，如图3a所示。这种方法是基于“气象可见视程”的定义的直接测量，所得到能见度数值最为可靠。透射法的问题在于测量困难，在能见度良好的时候，需要数公里的光程才能够让光波产生比较显著的衰减。对于实际的测量仪器，光程不过一米左右，因而需要极高的测量动态范围。考虑到光源功率波动、探测器效率变化、光源与探测器之间的方向失配、光学窗口的灰尘污染等因素，实际上几乎不可能利用这种原理制作出高精度的能见度仪。

在先技术之二：散射法

大气对光波的损耗主要是大气中所含有的各种固、液微粒的散射造成的，因此，通过测量散射光的功率，可以推算出大气能见度，如图3b所示。散射法的技术难度要低于透射法，是目前能见度测量的主流技术。但是，散射法是一种基于某种近似关系的间接测量，实际上散射法测量到的值与实际能见度的关系并非严格地一一对应。对于大多数情况，散射法的测量值是真实能见度的良好近似，但是对于被严重污染的大气，由于其组成与散射法所用的模型差别较大，因而会产生较大的偏差。此外，散射法也存在诸如光源功率波动、探测器效率变化、光学窗口的灰尘污染等问题。

在先技术之三：激光雷达法

激光雷达法也是某种散射法，测量光束的背向散射。其优点是可以测量较大范围内的能见度数据，缺点是价格昂贵，如果仅用于能见度的测量则是巨大的浪费。同时，也存在光源功率波动、光学窗口的灰尘污染等问题。

在先技术之四：图像处理法

图像处理法基于能见度的另一种定义：在光线充足的条件下，普通视力的观察者能够看清特定图形的最大距离。图像处理法需要使用一个数字摄像机模拟人眼，直接摄取选定目标物进行拍摄，并将图像输入计算机。计算机再对所获取的图像进行分析处理，获取能见度观测值。这种方法需要对远距离的物体成像，在某些应用场合，比如航海领域，并不是总能找到合适的目标物。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出一种结构紧凑、精度较高、性能稳定，适用于公路交通、航海、航空、大气污染物监测等领域的基于腔衰荡技术的大气能见度检测装置及应用方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于腔衰荡技术的大气能见度检测装置，其特征在于：包括依次设置的光源、谐振腔、光电探测器以及用于将光损耗数据进行计算得到被探测样本能见度值的数据处理单元。

上述检测装置还包括设置在光源和谐振腔之间的导入光纤以及设置在谐振腔和光学探测器之间的导出光纤。

上述谐振腔为光学谐振腔；所述光源与光学谐振腔之间设置有导入准直器；所述光学谐振腔和光电探测器之间设置有导出准直器。

上述谐振腔为光纤谐振腔；所述光纤谐振腔包括第一耦合器、特种光纤以及第二耦合器；所述第一耦合器的输入端与导入光纤连接，第一耦合器的输出端与特种光纤的输入端连接；所述特种光纤的输出端与第二耦合器的输入端连接；所述第二耦合器的输出端分别于第一耦合器的输入端和光学探测器连接；所述特种光纤用于使光波与外界环境中的待测样本接触和吸收。

上述特种光纤为光子晶体光纤，D型光纤。

上述导入光纤和导出光纤均采用单模光纤。

基于上述的基于腔衰荡技术的能见度检测装置，现提出该装置的应用方法，包括以下步骤：

1)光电探测器接收光源发射出的经过谐振腔衰减处理后的光信号；

2)光电探测器将步骤1)中光信号转换为电信号，并将电信号传输至数据处理单元；

3)数据处理单元对步骤2)中的电信号进行处理，得到被测环境中的能见度数值；具体步骤如下：

3.1)测量谐振腔的输出光信号强度随时间的变化关系。根据物理光学的理论，其关系一定具有如下形式：

$I\left(t\right)=I_0\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}})$

式中：τ为衰荡时间常数；I₀为t＝0时刻的光强；I(t)为光强；t为时间；

3.2)根据步骤3.1)，利用实测的光强I(t)随时间变化的数据计算出衰荡时间常数τ具体计算如下所示：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{nL}}{C(\mathrm{\αL}-\ln R)}$

式中：n为被测样本的折射率，L为谐振腔的腔长，C为真空中光速，R为谐振腔内两个反射镜的反射率(假设相等)，α为被测样本的吸收系数。

3.3)根据步骤3.2)中得到的衰荡时间常数τ，反推出谐振腔内被测样本的吸收系数α，具体关系式如下：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{L}(\frac{\mathrm{nL}}{\mathrm{C\τ}}+\ln R)$

3.4)根据步骤3.3)被测样本的吸收系数等效于大气消光系数，再根据标准大气能见度与大气消光系数之间的关系式，确定能见度与衰荡时间常数的关系，如下：

$V=\frac{3.912}{\frac{1}{L}(\frac{\mathrm{nL}}{\mathrm{C\τ}}+\ln R)}$

式中：V代表被测样本的能见度数值。

本发明的优点是：

1、本发明的利用光学谐振腔对光波的多次反射，极大地增加了吸收光程。这使得该系统的检测灵敏度大大提高。

2、本发明的装置仅与谐振腔本身参数的函数有关，与光源功率无关，与探测器的光电转换效率也无关，因此，不易受光源波动等因素的影响：。

3、本发明采用谐振腔的目的是增大光程，最终测量的依然是光波在被测样本中的损耗，因而是基于“气象可见视程”的定义的直接测量，相比于各种间接测量，是最本质和可靠的方法。

4、本发明采用谐振腔极大地增加了光程，两反射镜之间的距离可以做得很小，因而可以制作便携式设备。在体积上，不仅远小于直接透射法的仪器，也远小于散射法的仪器。

5、本发明的采用光纤谐振腔的结构，对机械振动等因素不敏感，性能稳定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中的谐振腔输出光功率信号示意图。

图3a为现有的透射式能见度仪的结构示意图。

图3b为现有的散射式能见度仪的结构示意图。

图4为本发明的结构流程框图。

图5为本发明实施例一的结构示意图。

图6为本发明实施例二的结构示意图。

附图标记如下：

1-光源、2-导入光纤、3-谐振腔、4-导出光纤、5-光学探测器、6-数据处理单元、7-导入准直器、8-导出准直器、9-第一耦合器、10-特种光纤、11-第二耦合器、12-声光调制器。

具体实施方式

本发明提供了一种基于腔衰荡技术的大气能见度检测装置及应用方法，该装置的结构是：包括依次设置的光源1、导入光纤2、谐振腔3、导出光纤4、用于将谐振腔输出的光信号转换为电信号的光电探测器5以及用于将光损耗数据进行计算得到被探测样本能见度值的数据处理单元6，见图1。此处需要特别提出的是：

该装置中所讲的数据处理单元可以是单片机，也可以是计算机电脑。单片机可选用具备一定快速计算能力的芯片如ARM系列处理器，ARM7，ARM9，ARM11等处理器。计算机电脑可以为个人电脑或计算机工作站。

基于上述装置对本发明的应用方法进行描述：

步骤1)光电探测器接收光源发射出的经过谐振腔衰减处理后的光信号；

步骤2)光电探测器将步骤1)中光信号转换为电信号，并将电信号传输至数据处理单元；

步骤3)数据处理单元对步骤2)中的电信号进行处理，得到被测样本的能见度数值；具体步骤如下：

步骤3.1)测量谐振腔的输出光信号强度随时间的变化关系。根据物理光学的理论，其关系一定具有如下形式：

$I\left(t\right)=I_0\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}})---\left(1\right)$

式中：τ为衰荡时间常数；I₀为t＝0时刻的光强；I(t)为光强；t为时间；

步骤3.2)根据步骤3.1)，利用光强I(t)随时间变化的数据计算出衰荡时间常数τ，衰荡时间常数τ受谐振腔本身参数及腔内待测物质的制约，具体计算式如下：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{nL}}{C(\mathrm{\αL}-\ln R)}---\left(2\right)$

式中：n为被测样本的折射率，L为谐振腔的腔长，C为真空中光速，R为谐振腔内两个反射镜的反射率(假设相等)，α为被测样本的吸收系数。

步骤3.3)根据步骤3.2)中得到的衰荡时间常数τ，反推出谐振腔内被测样本的吸收系数α，具体关系式如下：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{L}(\frac{\mathrm{nL}}{\mathrm{C\τ}}+\ln R)---\left(3\right)$

步骤3.4)根据步骤3.3)被测样本的吸收系数等效于大气消光系数，再根据标准大气能见度与大气消光系数之间的关系式，可以确定能见度与衰荡时间常数的关系，如下：

$V=\frac{3.912}{\frac{1}{L}(\frac{\mathrm{nL}}{\mathrm{C\τ}}+\ln R)}---\left(4\right)$

式中V代表被测样本的能见度数值。

实际工作当中，光源可以是连续工作的窄线宽光源，也可以是以脉冲方式工作的宽谱光源，前者称为连续光腔衰荡能见度探测技术，后者称为脉冲光源腔衰荡能见度探测技术。

连续光源腔衰荡的工作原理为：

(1)将一个功率稳定的连续工作窄线宽光波注入谐振腔，确保光源纵模与谐振腔某一纵模相匹配，谐振腔输出稳定的光功率；

(2)迅速关断光源，使注入谐振腔的光功率为0，此时，谐振腔的输出功率不会立即变为0，而是有一个衰减过程(腔衰荡过程)；

(3)测量并记录这个光功率衰减过程，从中提取出衰减时间常数τ；

(4)根据衰减时间常数τ，反推出腔内损耗α，并进一步计算出待测能见度V。

脉冲光源强衰荡的工作原理为

(1)将一个光脉冲注入谐振腔；

(2)光脉冲穿过谐振腔，在谐振腔的两个反射镜之间来回反射；

(3)光脉冲每次被腔镜反射的同时也会有一小部分穿过腔镜输出，形成一个幅度递减的脉冲序列；

(4)探测并记录这个脉冲序列，从中提取出衰减时间常数τ；

(5)根据衰减时间常数τ，反推出腔内损耗α，并进一步计算出待测能见度V。

根据上述对装置和方法的描述，现发明人给出基于两种不同谐振腔结构的实施例，并且这两种实施例均可应用在连续光腔衰荡能见度探测技术和脉冲光源腔衰荡能见度探测技术中，其具体是：

实施例一

如图5所示，该装置包括依次设置的光源1，导入光纤2、第一耦合器9、特种光纤10、第二耦合器11、光电探测器5以及数据处理单元6；工作时：光源1发出的光脉冲经导入光纤2进入高分光比的第一耦合器9的一条光纤臂，紧着进入特种光纤10。特种光纤10的主要作用是将光波与外界环境中的待测样品接触，进而让光波能量被样品吸收。特种光纤10可以采用现有的光子晶体光纤或者D型光纤等。经过特种光纤10后的光波绝大部分进入第二耦合器11的一条光纤臂并有该光纤臂输出给第一耦合器9，剩余的一小部分能量由第二耦合器11的另外一条光纤臂输出，被光电探测器5接收。如此往复循环。第一耦合器9、特种光纤10、第二耦合器11、组成一个光纤谐振腔。被光电探测器5探测到的信号，经过数据处理单元6处理可以得到待测大气的能见度值。

本发明使用光纤谐振腔的目的是：在整个装置在使用过程中，受到的外界机械震动的影响较小，确保了测量的精准度。

实施例二

如图6所示，该装置包括包括依次设置的光源1、声光调制器12、导入光纤2、导入准直器7、光学谐振腔3、导出准直器8、导出光纤4、光电探测器5以及用于将光损耗数据进行计算得到被探测样本能见度值的数据处理单元6。

具体工作原理是：

首先，将通过光源将连续激光注入一个光学谐振腔(光学谐振腔包括腔壳、安装在腔壳内的第一反射镜、第二反射镜以及压电陶瓷扫描仪)，然后用紧贴着第二反射镜的压电陶瓷(PZT)扫描腔长，使得腔的某一个纵模与激光纵模相匹配，当腔内能量达到一定的阈值时，迅速关断声光调制器，使注入光功率变为零。此时光学谐振腔内的光强由于损耗(主要是透射损耗和腔内吸收)而以e指数形式衰减。光电探测器将光信号转换为电信号，并将其传输给数据处理单元进行计算处理，最终等到被测样本的能见度数值。

Claims (7)

1.一种基于腔衰荡技术的大气能见度检测装置，其特征在于：包括依次设置的光源、谐振腔、光电探测器以及用于将光损耗数据进行计算得到被探测环境中的能见度值的数据处理单元。

2.根据权利要求1所述的基于腔衰荡技术的能见度检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括设置在光源和谐振腔之间的导入光纤以及设置在谐振腔和光学探测器之间的导出光纤。

3.根据权利要求2所述的基于腔衰荡技术的能见度检测装置，其特征在于：所述谐振腔为光学谐振腔；所述导入光纤与光学谐振腔之间设置有导入准直器；所述光学谐振腔和导出光纤之间设置有导出准直器。

4.根据权利要求1所述的基于腔衰荡技术的能见度检测装置，其特征在于：所述谐振腔为光纤谐振腔；所述光纤谐振腔包括第一耦合器、特种光纤以及第二耦合器；所述第一耦合器的输入端与导入光纤连接，第一耦合器的输出端与特种光纤的输入端连接；所述特种光纤的输出端与第二耦合器的输入端连接；所述第二耦合器的输出端分别于第一耦合器的输入端和光学探测器连接；所述特种光纤用于使光波与外界环境中的待测样本接触和吸收。

5.根据权利要求3或4任一权利要求所述的基于腔衰荡技术的能见度检测装置，其特征在于：所述导入光纤和导出光纤均采用单模光纤。

6.根据权利要求5所述的基于腔衰荡技术的能见度检测装置，其特征在于：所述特种光纤为光子晶体光纤，D型光纤。

7.基于权利要求1所述的基于腔衰荡技术的能见度检测装置的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)光电探测器接收光源发射出的经过谐振腔衰减处理后的光信号；

2)光电探测器将步骤1)中光信号转换为电信号，并将电信号传输至数据处理单元；

3)数据处理单元对步骤2)中的电信号进行处理，得到被测环境中的能见度数值；具体步骤如下：

3.1)测量谐振腔的输出光信号强度随时间的变化关系；根据物理光学的理论，其关系一定具有如下形式：

$I\left(t\right)=I_0\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}})$

式中：τ为衰荡时间常数；I₀为t＝0时刻的光强；I(t)为光强；t为时间；

3.2)根据步骤3.1)，利用光强I(t)随时间变化的数据计算出衰荡时间常数τ，具体计算如下所示：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{nL}}{C(\mathrm{\αL}-\ln R)}$

式中：n为被测样本的折射率，L为谐振腔的腔长，C为真空中光速，R为谐振腔内两个反射镜的反射率(假设相等)，α为被测样本的吸收系数；

3.3)根据步骤3.2)中得到的衰荡时间常数τ，反推出谐振腔内被测样本的吸收系数α，具体关系式如下：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{L}(\frac{\mathrm{nL}}{\mathrm{C\τ}}+\ln R)$

3.4)根据步骤3.3)被测样本的吸收系数等效于大气消光系数，再根据标准大气能见度与大气消光系数之间的关系式，确定能见度与衰荡常数的关系，如下：

$V=\frac{3.912}{\frac{1}{L}(\frac{\mathrm{nL}}{\mathrm{C\τ}}+\ln R)}$

式中：V代表被测样本的能见度数值。