专利名称：高精度前向多角度大气散射测量方法
技术领域：
本发明属于光学领域，具体是一种多角度测量大气散射的方法。
背景技术：
光在大气中传播时，受到空气分子，大气中云、雾、雨滴以及烟尘等悬浮粒的散射而引起衰减。由于散射作用使得地面交通、海上和空中航行、卫星侦察与遥感以及天文观测等一系列实践活动都会遇到这样的问题透过大气用人眼或仪器观察一定距离以外的目标物是否清晰，以及能够把目标物从背景中分辨出来的极限距离是多少，即能见度问题。大气散射的测量实际是散射消光系数σs的测量。
现有的大气散射的测量方法大致分为透射法、激光后向散射法和前向散射法。透射法是通过光束透过两固定点之间的大气柱直接测量气柱透射率，以此来推算散射消光系数的。这种方法要求光束通过足够长的大气柱，并且在这足够长的光照射区域内没有任何可能产生反射的物体。这就使得测量系统体积庞大，测量条件苛刻。另外，测量时接收系统的接收发散角要尽可能的小，还要在光路的前向(0°方向)上安装一个光势阱，以尽量减少由于前向散射光进入接收系统所引起的测量误差。在雨、雾等低能见度天气，又会因水汽吸收等复杂条件造成较大误差。
激光后向散射法利用的是散射消光系数和气溶胶粒子后向散射相关的原理。因为后向散射光强明显弱于前向散射光强，所以需要功率较大的激光发射器作为光源。且该方法适用于测量中远距离处的大气散射，同样要求在光照射区域内没有任何反射存在。而且由后向散射信号反演出前向散射消光系数的过程较为复杂，数据实时性差，系统成本高。
前向散射法是通过测量一小空气体积对光的前向散射来获得散射消光系数的。相比较后向散射测量方法，它对散射粒子的尺寸分布不敏感，而且由于前向散射信号强度大，也提高了探测器的测量信噪比。其测量系统具有体积小，测量方便等优点。该方法要求两个探测器性能完全相同，而实际上无论是光电传感器本身还是探测电路都无法达到完全相等的电气特性。另外，四个发射/接收器都需要高精度的定位和对准，这使得机械结构设计复杂，同时也给安装带来不便。
发明内容
本发明的主要目的是为了获得高精度、高可靠性和可测量不同散射角度的前向散射消光系数，提供一种高精度前向多角度大气散射测量方法。
通过本发明还可以使测量精度不受光学元件表面沉积的灰尘等污染物的影响。
本发明的另一个目的是提供一种根据不同散射角测量的散射系数研究粒子浓度和尺寸分布的测量方法。
本发明还解决了系统光源恒定发光的问题，为实时的自动测量提供可靠的条件。
本发明的技术方案如下高精度前向多角度大气散射测量方法，其特征在于设置一对光学发射系统/接收系统对，光学发射系统与光学接收系统进行相对转动时，其发射光轴与接收光轴相交到同一位置的粒子团，光学发射系统设置有红外发光二极管，由脉冲调制控制器控制红外发光二极管发出一定频率的脉冲光，经光学发射系统的扩束准直透镜照射到相交处的粒子团，脉冲光被粒子团散射并经光学接收系统的汇聚透镜照射到光电二极管探测器上，由光电二极管探测器将散射光信号转变成相应的电信号，经电流/电压放大器放大后，输出到开关相敏检波电路的输入端；测量时，由晶振产生方波振荡信号，方波振荡信号再经可变倍数分频器得到同步脉冲方波振荡信号，该脉冲方波振荡信号分别同时提供给脉冲调制控制器和开关相敏检波电路的控制端，使得在方波振荡信号的上升沿到来时，脉冲调制控制器控制红外发光二极管发出脉冲光，同时开关相敏检波电路导通，开关相敏检波电路的输出电信号经过积分运算，并经过电压频率转换器后，转变成频率信号经计算机处理；当方波振荡信号的下降沿到来时，脉冲光终止，同时开关相敏检波电路截止，没有电信号输出。
所述的光学发射系统与光学接收系统分别安装在绕同轴旋转的二个支架上，当接收支架旋转时，其发射光轴与接收光轴均相交到该轴的同一位置，所述的红外发光二极管为GaAlAs红外发光二极管，发射频率为2.3KHz、光强恒定的850nm红外光，所述的光电二极管为Si光电二极管，其响应波段为350nm-1100nm，峰值响应波段为830nm-1000nm，散射光在到达光电二极管探测器前经过780nm高通滤光片过滤；方波振荡信号的频率为2.3KHz。
在光学发射系统内设置光电探测器，测量红外发光二极管发出的光强信号，在红外发光二极管旁边设置由热敏电阻和CMOS场效应管，测量红外发光二极管旁边的温度变化，光强信号与温度变化信号均作为反馈信号输入到脉冲调制控制器，实现脉冲光的自动校准。
本发明解决了散射测量信号受环境光杂散信号的影响问题；解决了光源受温度和老化的影响造成不能恒定发光的问题，为实现实时自动测量提供可靠条件；解决了光学元件表面污染物对测量数据可靠性的影响问题。为利用多角度的前向散射信号分析大气粒子浓度和尺寸分布与散射角之间的变化关系能够提供可靠的原始数据。另外，如果使用多个相同结构的本发明系统，还可以通过分别选取不同波长的光源，同时在不同波长下进行大气粒子的散射测量，得到粒子尺寸分布的进一步研究。
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是本发明的红外光源发射系统示意图。
图3是本发明角散射光接收系统示意图。
具体实施例方式
参见附图，图中标号定义如下1、红外光源发射系统
2、角散射光接收系统3、转轴4、取样空间的粒子团5、GaAlAs红外发光二极管6、光束准直透镜7、光电探测器8、光强监控反馈信号9、脉冲调制控制器10、热敏电阻11、镜面污染监测用的辅助光电探测器12、方波振荡信号13、汇聚透镜14、Si光电二极管探测器15、滤光片16、同步选频放大器和开关相敏检波电路17、电压/频率转换器18、计算单元19、镜面污染监测用的后向散射光源20、测量的频率信号高精度前向多角度大气散射测量方法，设置一对光学发射系统1/接收系统2，光学发射系统1与光学接收系统2分别安装在绕同轴3旋转的二个支架上，当接收支架旋转时，无论旋转到何种角度，其发射光轴与接收光轴均相交于该轴上的同一粒子团4，在光学发射系统的镜筒内安装有高功率的GaAlAs红外发光二极管，由高功率的GaAlAs红外发光二极管5发射850nm的红外光，经发射系统1的光束准直透镜6照射到粒子团4，被粒子团4散射并经光学接收系统2镜筒内的汇聚透镜13照射到Si光电二极管探测器14上。该Si光电二极管探测器14的型号为UDT公司的PIN6DI，它的响应波段为350nm-1100nm，峰值响应波段为830nm-1000nm。在探测器14前装有780nm高通滤光片15，在850nm处的透过率达到80％以上。探测器14将散射光信号转换成相应的电信号，经电流/电压放大器放大后，输出到开关相敏检波电路的输入端，开关相敏检波电路的输出端并联接有一积分电容，再串接一个电压/频率转换器17，电压/频率转换器17输出端接计算单元18。
测量时，由晶振产生方波振荡信号，方波振荡信号再经可变倍数分频器得到同步脉冲频率为2.3KHz的方波振荡信号12，该脉冲方波振荡信号12分别同时提供给脉冲调制控制器9和开关相敏检波电路的控制端，使得在方波振荡信号12的上升沿到来时，脉冲调制控制器9控制红外发光二极管5发出850nm的调制光，同时开关相敏检波电路导通，开关相敏检波电路的输出电信号经过积分电容取样后得到积分电压，将调制的脉冲交流信号转变为直流信号，该直流信号的幅度随着散射光信号的强弱变化而随之增减，即直流信号电压值与散射光强度值成正比。再经电压/频率转换电路17得到抗干扰性较好的频率信号20，通过计算单元18中的频率计数器记录信号频率值，送入单片机处理器进行反演计算，得出散射消光系数。接收系统2内利用一个辅助的后向散射光源19来监测透镜表面的污染，用来校正测量信号。
当方波振荡信号12的下降沿到来时，脉冲光终止，同时开关相敏检波电路截止，没有电信号输出。
通过发射系统内辅助的光电探测器7探测到的红外发光二极管5的光强信号作为反馈信号8送入脉冲调制控制器9控制发光二极管5的恒定发光；同时结合由热敏电阻和CMOS场效应管组成的热平衡电路10，使测量免受光源老化和随温度变化的影响，实现了测量的自动校准；又通过另一个辅助光电探测器11监测光束准直透镜6表面的污染。
光学发射系统1固定，接收系统2可以绕转轴3旋转，保证在不同角度接收光轴都和发射光轴相交于空间同一交点处，即测量的是相同粒子团对不同角度的光散射信号。
光学发射系统1与光学接收系2的光学器件均安装在镜筒内。
权利要求
1.高精度前向多角度大气散射测量方法，其特征在于设置一对光学发射系统/接收系统对，光学发射系统与光学接收系统进行相对转动时，其发射光轴与接收光轴相交到同一位置的粒子团，光学发射系统设置有红外发光二极管，由脉冲调制控制器控制红外发光二极管发出一定频率的脉冲光，经光学发射系统的扩束准直透镜照射到相交处的粒子团，脉冲光被粒子团散射并经光学接收系统的汇聚透镜照射到光电二极管探测器上，由光电二极管探测器将散射光信号转变成相应的电信号，经电流/电压放大器放大后，输出到开关相敏检波电路的输入端；测量时，由晶振产生方波振荡信号，方波振荡信号再经可变倍数分频器得到同步脉冲方波振荡信号，该脉冲方波振荡信号分别同时提供给脉冲调制控制器和开关相敏检波电路的控制端，使得在方波振荡信号的上升沿到来时，脉冲调制控制器控制红外发光二极管发出脉冲光，同时开关相敏检波电路导通，开关相敏检波电路的输出电信号经过积分运算，并经过电压频率转换器后，转变成频率信号经计算机处理；当方波振荡信号的下降沿到来时，脉冲光终止，同时开关相敏检波电路截止，没有电信号输出。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的光学发射系统与光学接收系统分别安装在绕同轴旋转的二个支架上，当接收支架旋转时，其发射光轴与接收光轴均相交到该轴的同一位置，所述的红外发光二极管为GaAlAs红外发光二极管，发射频率为2.3KHz、光强恒定的850nm红外光，所述的光电二极管为Si光电二极管，其响应波段为350nm-1100nm，峰值响应波段为830nm-1000nm，散射光在到达光电二极管探测器前经过780nm高通滤光片过滤；方波振荡信号的频率为2.3KHz。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在光学发射系统内设置光电探测器，测量红外发光二极管发出的光强信号，在红外发光二极管旁边设置由热敏电阻和CMOS场效应管，测量红外发光二极管旁边的温度变化，光强信号与温度变化信号均作为反馈信号输入到脉冲调制控制器，实现脉冲光的自动校准。
全文摘要
本发明公开了一种高精度前向多角度大气散射测量方法，其特征在于设置一对光学发射系统/接收系统对，光学发射系统与光学接收系统进行相对转动时，其发射光轴与接收光轴相交到同一位置，从光学发射系统的红外发光二极管发出一定频率的脉冲光到达同一位置的粒子团，脉冲光被粒子团散射并由光学接收系统的光电二极管探测器接收，将光电二极管的信号接入开关相敏检波电路，采用同一频率的方波振荡信号控制红外发光二极管的脉冲信号与开关相敏检波电路的导通实现同步。本发明解决了散射测量信号受环境光杂散信号的影响问题，消光系数测量准确性大大提高。
文档编号G01N21/49GK1793856SQ200510122888
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月2日 优先权日2005年12月2日
发明者王缅, 刘文清, 陆亦怀, 王锋平, 连翠华, 陈寅, 张玉钧, 陈军, 方武, 王亚萍, 刘建国, 魏庆农, 谢品华, 张长秀 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所