大氣濕度或溫度或者云高測(cè)量方法和設(shè)備技術(shù)

本申請(qǐng)公開了一種大氣云高、濕度廓線或溫度測(cè)量方法和裝置。在所述方法中，將脈沖激光信號(hào)（14）通過發(fā)射光學(xué)裝置（2，3，4，5，6）發(fā)射到大氣，并檢測(cè)從那反射或散射回來的信號(hào)（15）。根據(jù)本發(fā)明專利技術(shù)，在光學(xué)裝置中采用干涉濾波器（3），以便將所發(fā)射的光功率穩(wěn)定在所述干涉濾波器（3）的中心波長。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】大氣濕度或溫度或者云高測(cè)量方法和設(shè)備本專利技術(shù)涉及根據(jù)權(quán)利要求I的前序部分所述的云探測(cè)設(shè)備。本專利技術(shù)還涉及大氣濕度廓線或溫度廓線或者云高測(cè)量設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，采用半導(dǎo)體脈沖激光器(脈沖二極管激光器)進(jìn)行云探測(cè)。在這些解決方案中，向正被測(cè)量的目標(biāo)發(fā)送激光器的全部波段，并檢測(cè)反向散射的光。在反向散射的信號(hào)的檢測(cè)中，要么采用完全分離的檢測(cè)器光學(xué)裝置，要么替換地使部分相同的光學(xué)裝置既在發(fā)射過程中工作又在檢測(cè)過程中工作。現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在于，除卻其良好的特性外，由于發(fā)射二極管激光器的非理想特性，所述方法是緩慢的。脈沖二極管激光器的發(fā)射功率遍布在寬的波長范圍內(nèi)。在高發(fā)射功率處，脈沖激光器也變熱，并且發(fā)熱引起發(fā)射功率的中心波長偏移。而且二極管激光器的中心波長的制造公差也大。由于寬波段和不穩(wěn)定性，信噪比已經(jīng)令人不滿意。 在現(xiàn)有技術(shù)中，還采用其中激光器以單模工作的測(cè)試設(shè)備。這樣的激光器極為昂貴，而且由于單模的原因，輸出發(fā)生在線性譜內(nèi)，在一些測(cè)量應(yīng)用中，所述線性譜對(duì)于測(cè)量變量或大氣的特性過于敏感。本專利技術(shù)旨在解決上文描述的現(xiàn)有技術(shù)的問題中的至少一些問題，并且出于這一目的創(chuàng)造了一種全新類型的用于測(cè)量大氣濕度廓線或溫度廓線或者云高的方法和設(shè)備。本專利技術(shù)以在光學(xué)裝置中采用干涉濾波器為基礎(chǔ)，以便使所發(fā)射的光功率穩(wěn)定在所述干涉濾波器的中心頻率。當(dāng)激光器以多模工作并且激光器的輻射區(qū)域?yàn)榫€性時(shí)，本專利技術(shù)尤為有利。更具體而言，根據(jù)本專利技術(shù)的方法以在權(quán)利要求I的特征部分中陳述的內(nèi)容為特征。就其本身而言，根據(jù)本專利技術(shù)的設(shè)備以在權(quán)利要求16的特征部分中陳述的內(nèi)容為特征。借助本專利技術(shù)的應(yīng)用獲得相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)。借助本專利技術(shù)，能夠顯著改善大氣測(cè)量的信噪比，因?yàn)槟軌驅(qū)⑺l(fā)射的信號(hào)功率集中到非常窄的測(cè)量波段內(nèi)。利用根據(jù)本專利技術(shù)的采用了可傾斜干涉濾波器的實(shí)施例，能夠借助非常簡單的機(jī)械裝置來獲得精確的穩(wěn)定結(jié)果。利用根據(jù)本專利技術(shù)的采用了空間狹縫濾波器的實(shí)施例，能夠精確地以預(yù)期的光學(xué)角度引導(dǎo)已經(jīng)通過所述濾波器的光能。由于多模的原因，能夠采用非常經(jīng)濟(jì)的半導(dǎo)體激光器光源。盡管有多模，但是譜寬度仍然適合于很多大氣測(cè)量應(yīng)用。在下文中，將借助例子并參考附圖來剖析本專利技術(shù)。圖Ia示意性地示出了其中能夠應(yīng)用本專利技術(shù)的一種大氣測(cè)量設(shè)備。圖Ib示意性地示出了其中能夠應(yīng)用本專利技術(shù)的第二大氣測(cè)量設(shè)備。圖2示出了用于大氣測(cè)量設(shè)備的根據(jù)本專利技術(shù)的激光器的穩(wěn)定光學(xué)裝置的示意性透視圖。圖3示出了根據(jù)本專利技術(shù)的發(fā)射光學(xué)裝置的機(jī)械構(gòu)造的細(xì)節(jié)。圖4以圖表的方式示出了根據(jù)本專利技術(shù)的解決方案在發(fā)射光學(xué)裝置中的效果。圖5以圖表的方式更加詳細(xì)地示出了本專利技術(shù)在發(fā)射光學(xué)裝置中的效果。圖6以圖表的方式示出了替代(路線)波長，激光器能夠被穩(wěn)定到所述替代(路線)波長。圖7示出了在將干涉濾波器調(diào)整到不同的波長時(shí)激光器的輸出功率。圖8以圖表的方式示出了當(dāng)大氣中有水蒸汽時(shí)在兩個(gè)不同的溫度下測(cè)量的兩條發(fā)射曲線。圖9示出了其中采用兩個(gè)發(fā)射器和一個(gè)分色鏡實(shí)施兩個(gè)或三個(gè)不同波長的測(cè)量 的根據(jù)本專利技術(shù)的替換解決方案。根據(jù)圖la，濕度廓線和/或溫度和/或云高測(cè)量裝置包括公共的發(fā)射和接收光學(xué)裝置10和11，由此，借助發(fā)射光學(xué)裝置10和光源，將激光脈沖14發(fā)送到大氣，所述激光脈沖14將從云或其他懸浮微粒或分子13被散射回到檢測(cè)光學(xué)裝置和設(shè)備11。控制和測(cè)量邏輯12確定所發(fā)射和接收的輻射的延遲和強(qiáng)度，并在其基礎(chǔ)上確定云13的高度，或者相應(yīng)地計(jì)算濕度廓線或溫度廓線。例如，可以同軸地實(shí)施根據(jù)圖Ia的光學(xué)裝置，在這種情況下，發(fā)射將從所述光學(xué)裝置的中心發(fā)生，并且接收將從同一光學(xué)裝置的周圍發(fā)生，或者替換地，發(fā)射和接收的位置能夠改變地方。代替同軸，發(fā)射和接收可以是同一光學(xué)裝置的不同部分。根據(jù)圖lb，發(fā)射光學(xué)裝置10可以和接收光學(xué)裝置11是分離的。該圖的解決方案只是一個(gè)例子，并且由于實(shí)踐的原因，所述發(fā)射光學(xué)裝置和接收光學(xué)裝置能夠相互靠近，從而允許從最大的可能高度范圍的測(cè)量。在兩種解決方案中，控制裝置12通常都是計(jì)算機(jī)，其測(cè)量出射脈沖14的發(fā)射時(shí)刻和由接收檢測(cè)器11檢測(cè)到的抵達(dá)信號(hào)15的接收時(shí)刻之間的時(shí)間差以及它們的強(qiáng)度。這種技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，因而不涉及到本專利技術(shù)。根據(jù)圖2，發(fā)射光學(xué)裝置包括二極管激光器1，在典型的實(shí)施例中，其由從一個(gè)或多個(gè)線性區(qū)域進(jìn)行輻射的激光器構(gòu)成。在該圖中，將激光器I的尺寸放大了 10倍，以便使該圖清晰。單線激光源I尤其適合大氣濕度廓線的檢測(cè)，而就現(xiàn)有知識(shí)而言，圖2所示的雙線解決方案對(duì)云高測(cè)量更為有利。在該例子情況下，激光器的譜由兩條窄線構(gòu)成。整個(gè)光學(xué)裝置的長度大約為40-60mm。在根據(jù)圖2的解決方案中，采用參考數(shù)字20描繪光軸。因而在該圖中，采用兩個(gè)激光源I形成兩個(gè)來自線性區(qū)域的脈沖射線束9，在該實(shí)施例中，將所述脈沖射線束引導(dǎo)到非球面透鏡2，其使得所述射線至少基本上平行。在透鏡2之后，弓丨導(dǎo)射線束9通過狹縫遮罩4至干涉濾波器3，在該圖的解決方案中，所述干涉濾波器是可傾斜的薄膜濾波器。通過使濾波器傾斜，射線束相對(duì)于濾波器的到達(dá)角改變，而且已知能夠通過這種方式改變?yōu)V波器的中心波長。由于濾波器3的多層結(jié)構(gòu)的原因，其傾斜減小了通過濾波器的波長。例如，可以借助在圖3中被示為連接至濾波器3的螺釘40來手動(dòng)地實(shí)施所述傾斜，在這種情況下，將所述波長設(shè)為是固定的，或者替換地也可以借助圖9所示的馬達(dá)205來實(shí)施所述傾斜。在圖3的解決方案中，增加了與調(diào)整螺釘40連接的鎖緊螺釘41。自然可以采用某種其他可調(diào)整干涉濾波器，例如基于加熱的干涉濾波器或者電調(diào)整的干涉濾波器，來替代可傾斜濾波器3。在所述光學(xué)裝置中，在所述干涉濾波器附近，優(yōu)選地存在相對(duì)于光軸20橫向設(shè)置的狹縫遮罩4。狹縫遮罩4允許光僅沿與激光器的輻射線成直角的方向通過其，并由此將激光器的反饋限制到這些相對(duì)于光軸以小角度，例如，以小于六度的角度進(jìn)行輻射的波形。利用該狹縫濾波器，使得功率從束的邊緣更多地移向中心。在所述例子中的情況下，所采用的其他光學(xué)裝置只能夠利用處于小于±6度的角度的光，其余的將被損失。即使沒有該遮罩，根據(jù)本專利技術(shù)的解決方案也將起作用，但是遮罩改善了最終結(jié)果。接下來，將射線束引導(dǎo)到聚焦雙合透鏡5，所述聚焦雙合透鏡5將射線束9引導(dǎo)到分色鏡6上，部分從所述分色鏡繼續(xù)出來通過光學(xué)裝置的其余部分，以形成圖Ia和圖Ib所示的出射脈沖14。在分色鏡上建立了激光器的表面的放大的、幾乎清晰的圖像。從所述分色鏡，輻射能量中的一些被沿返回方向朝向激光二極管反射。這些射線再次通過干涉濾波器，并回?fù)粼谟诩す馄鞯谋砻嫔线M(jìn)行輻射的線上，在與它們離開時(shí)基本相同的點(diǎn)處。該反饋引起激光器的譜的變窄，并引起在干涉濾波器的中心波長的位置處中心波長的穩(wěn)定化。此夕卜，所述發(fā)射光學(xué)裝置還包括未示出的通常為準(zhǔn)直的透射透鏡，其位于該圖的右手側(cè)。在本專利技術(shù)的一個(gè)測(cè)試解決方案中，在IOkHz的脈沖頻率處，光發(fā)射功率為12mW，脈沖的波長為100ns。這對(duì)應(yīng)于I. 2 μ J的脈沖能量以及大約12瓦的脈沖功率。 圖3更加詳細(xì)地示出了可傾斜干涉濾波器3的調(diào)整方式。將機(jī)械地連接至濾波器3的螺釘40置于所述光學(xué)裝置的外表面，通過調(diào)整螺釘40的姿態(tài)能夠控制濾波器3的角度。自然還可以通過適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)施所述調(diào)整。圖4借助測(cè)量示出了本專利技術(shù)的效果。在圖4中，水平本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：J卡利奧，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：威易拉有限公司，
類型：
國別省市：