一种基于腔衰荡技术的大气能见度检测装置及应用方法
【专利摘要】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。
【专利说明】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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 在先技术之一：透射法
[0005] 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。
[0006] 在先技术之二：散射法
[0007] 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。
[0008] 在先技术之三：激光雷达法
[0009] 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。
[0010] 在先技术之四：图像处理法
[0011] 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】
[0012] 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。
[0013] 本发明的技术方案如下：
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 上述特种光纤为光子晶体光纤，D型光纤。
[0019] 上述导入光纤和导出光纤均采用单模光纤。
[0020] 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：
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 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：
[0024] 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：
[0025]
【权利要求】
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：
式中：τ为衰荡时间常数；L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：
式中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：
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：
式中：V代表被测样本的能见度数值。
【文档编号】G01N21/17GK104062236SQ201410289017
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】阮驰, 王允韬, 冯丽丽, 陶圣 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所, 交通运输部科学研究院