全光纤激光外差太阳辐射计的制作方法与工艺

本发明涉及一种太阳辐射计，尤其是一种全光纤激光外差太阳辐射计。

背景技术：
高光谱分辨率的太阳光谱数据是研究地球大气的重要数据，可用于计算大气的透过率、大气成分的垂直廓线等。由于太阳光谱信号的光谱分辨率对计算结果的精度有着很大的影响，故对高光谱分辨率的太阳光谱数据的获取对于地球大气辐射、温室效应、天气预报等方面的研究有着重要的意义。目前，常用的地基测量太阳光谱的装置多如2006年6月出版的《红外》期刊第27卷第6期“太阳辐射计”一文中所介绍的直接太阳辐射计。该直接太阳辐射计主要由相互连接的太阳跟踪装置、探测器和数据处理器组成；测量时，探测器将太阳跟踪装置传来的太阳光信号转换为电信号，并送往数据处理器，由其计算出所需的数据结果。这种直接太阳辐射计存在着测定的太阳光谱的分辨率不高之不足。为获得高光谱分辨率的太阳光谱数据，也有使用傅立叶变换光谱仪的；但这却使测量设备的体积很大和需较高的功耗，以及较长的测量时间，极不利于实现高分辨率太阳光谱的实时测量和测量设备便携机动的应用需求。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种既能测得高光谱分辨率的太阳光谱数据，又体积小、使用方便的全光纤激光外差太阳辐射计。为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：全光纤激光外差太阳辐射计包括与太阳跟踪器连接的探测器和数据处理器，特别是，所述太阳跟踪器的输出端经第一光纤与光纤合束器的一个输入端连接，所述光纤合束器的输出端经第二光纤与高速外差探测器连接，所述高速外差探测器依次经射频处理器、锁相放大器、采集器与数据处理器电连接，所述太阳跟踪器的输出端还经斩波器与锁相放大器连接，用于得到高信噪比的外差信号；所述太阳辐射计还含有可调谐窄线宽激光器，所述可调谐窄线宽激光器的输出端经第三光纤与光纤分束器的输入端连接，所述光纤分束器的一个输出端经第四光纤与所述光纤合束器的另一个输入端连接，光纤分束器的另一个输出端经第五光纤、分束镜、光学标准具与光电探测器连接，所述光电探测器经采集器与数据处理器电连接，所述分束镜的反射光路上置有其输出端与数据处理器电连接的波长计，用于提供本振光和获取本振光实时输出的波长；所述数据处理器为计算机，其输出端与可调谐窄线宽激光器的输入端电连接，用于调谐窄线宽激光器的输出，并由得到的高信噪比的外差信号和获取的本振光实时输出的波长得出太阳光在调谐范围内的光谱。作为全光纤激光外差太阳辐射计的进一步改进：优选地，光纤合束器为中红外光纤合束器。优选地，高速外差探测器为碲镉汞高速光电探测器，或铟镓砷高速光电探测器。优选地，第二光纤与高速外差探测器间置有第一聚焦透镜；利于提升探测的精度。优选地，射频处理器含有带通滤波器和平方率探测器；以便于限制电路带宽和检测信号功率。优选地，可调谐窄线宽激光器为量子级联激光器，或带间级联激光器，或近红外分布反馈激光器。优选地，光纤分束器的分束比为98％：2％，其中，98％的光送往光纤合束器。优选地，分束镜的分束比为30～70％：30～70％。优选地，光学标准具与光电探测器间置有第二聚焦透镜；利于提升探测的精度。优选地，第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤和第五光纤均为空芯光纤；利于降低传输损耗。相对于现有技术的有益效果是：采用这样的结构后，全光纤激光外差太阳辐射计既由于使用了外差探测方式，而极大地提高了测量的信噪比和光谱分辨率，使光谱分辨率高达0.005cm-1，远高于现有技术的1cm-1；还因在光路的耦合上使用了光纤，并使用了光纤合束器和分束器进行光路的匹配，大大地减小了仪器的体积和提高了运行的可靠性；更有着功耗低、测量时间短的优势；使其极易于便捷地实时测量高光谱分辨率的太阳光谱数据。其中，激光外差探测方式实现的机理为，信号光(太阳光)和本振光(激光)通过合束器进行光匹配后，照射到光电探测器上由其进行探测。光电探测器是对光场中电场部分的探测，其响应特性是平方率关系，即：光电探测器输出的光电流正比于电场的平方。假定两束光都为单色光，本振光Elo＝Alocosωlot，信号光Es＝Ascosωst。光电探测器探测到的电流输出为：i＝α(Alocosωlot+Ascosωst)2(1)忽略高频项，则(1)式简化为：其中，直流部分等效于idc＝a(Plo+Ps)，其中的Plo为本振光的功率，Ps为信号光的功率。第三部分AloAscos(ωlo-ωs)t的频率是本振光与信号光的光频率的频率差，此部分即为外差信号。外差信号的大小正比于本振光和信号光的强度，外差信号既反映了本振光所包含的信息也反映了信号光所包含的信息。当本振光的状态(强度、波长、相位等)已知时，通过外差信号就可以直接反推出信号光所包含的信息。当本振光的能量远大于信号光的能量时，外差探测相当于使用本振光对信号光进行了放大。相对于普通的直接探测方式，外差探测方式有效地提高了对微弱信号光的探测能力。在本专利申请中，以透过整层大气的太阳光作为信号光，到达地表的太阳光可以等效为经过气体吸收的黑体辐射。与窄线宽的本振光不同，黑体辐射是一种宽带光，从紫外到红外波段都有着较强的辐射。以窄带激光为本振光，宽带光为信号光的外差探测中，宽带光可以等效为单色光波列的集合，外差探测所得到的信号是所有单色光与本振光形成外差信号的累加。外差信号在频域上呈宽带分布，特定频率区间上的功率谱密度与对应光学频率区间上太阳光的功率有关。测量出该频率区间上的外差信号功率，就可以反推出相对应光学频率区间上太阳光的功率。从式(2)可以得知，外差信号的频率与本振光的光学频率是相互一一对应的，所以激光外差系统的带宽直接由外差系统的电路带宽所决定，选用合适的滤波器可以将激光外差系统的带宽限制在100MHz以下。附图说明图1是本发明的一种基本结构示意图。图2是使用本发明测得的整层大气中水分子(H2O)和甲烷(CH4)分子的高分辨率吸收光谱图之一，其光谱分辨率达到了0.003cm-1。具体实施方式下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。参见图1和图2，全光纤激光外差太阳辐射计的构成如下：太阳跟踪器1的输出端经第一光纤2与光纤合束器3的一个输入端连接，光纤合束器3的输出端经第二光纤4、第一聚焦透镜5与高速外差探测器6连接，其中，光纤合束器3为中红外光纤合束器，高速外差探测器6为碲镉汞高速光电探测器(或铟镓砷高速光电探测器)；高速外差探测器6依次经射频处理器20、锁相放大器19、采集器18与数据处理器电连接，其中，射频处理器20含有带通滤波器和平方率探测器；太阳跟踪器1的输出端还经斩波器21与锁相放大器19连接，用于得到高信噪比的外差信号。太阳辐射计还含有可调谐窄线宽激光器7；其中，可调谐窄线宽激光器7为量子级联激光器(或带间级联激光器，或近红外分布反馈激光器)。该可调谐窄线宽激光器7的输出端经第三光纤8与光纤分束器9的输入端连接；光纤分束器9的一个输出端经第四光纤10与光纤合束器3的另一个输入端连接，光纤分束器9的另一个输出端经第五光纤11、分束镜12、光学标准具13、第二聚焦透镜14与光电探测器15连接，其中，光纤分束器9的分束比为98％：2％，其中的98％的光送往光纤合束器3；光电探测器15经采集器18与数据处理器电连接；分束镜12的反射光路上置有其输出端与数据处理器电连接的波长计17，其中，分束镜12的分束比为50％:50％(可为30～70％：30～70％)；用于提供本振光和获取本振光实时输出的波长。上述第一光纤2、第二光纤4、第三光纤8、第四光纤10和第五光纤11均为空芯光纤。数据处理器为计算机16，其输出端与可调谐窄线宽激光器7的输入端电连接，用于调谐窄线宽激光器7的输出，并由得到的高信噪比的外差信号和获取的本振光实时输出的波长得出太阳光在调谐范围内的光谱。使用时，置于户外的太阳跟踪器1自动锁定太阳，并将接收到的太阳光分别经第一光纤2送入光纤合束器3、经斩波器21后送往锁相放大器19。可调谐窄线宽激光器7在计算机16的调控下输出的本振光经第三光纤8送入光纤分束器9后，其中的98％的部分经第四光纤10送入光纤合束器3，与太阳光耦合后经第二光纤4、第一聚焦透镜5送入高速外差探测器6中进行外差探测；2％的部分经第五光纤11送往分束镜12，分束镜12又将2％中的一半光反射至波长计17、另一半经光学标准具13、第二聚焦透镜14送入光电探测器15。波长计17输出的本振光基准值、光学标准具13经光电探测器15输出的本振光精确值送往计算机16后，由计算机16定标出本振光实时输出的波长。高速外差探测器6输出的外差电信号经射频处理器20后，得到正比于该外差电信号强度的信号——与太阳光在该波长附近的光强成正比的信号。此信号经其锁相的参考信号由与太阳跟踪器1连接的斩波器21给出的锁相放大器19后，即得到了高信噪比的外差信号。计算机16调谐本振光的中心波长，并将本振光实时输出的波长与高信噪比的外差信号一一对应，就得到了如或近似于图2所示的太阳光在该调谐范围内的高分辨率光谱。显然，本领域的技术人员可以对本发明的全光纤激光外差太阳辐射计进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。