大气湿度或温度或者云高测量方法和设备技术

本申请公开了一种大气云高、湿度廓线或温度测量方法和装置。在所述方法中，将脉冲激光信号（14）通过发射光学装置（2，3，4，5，6）发射到大气，并检测从那反射或散射回来的信号（15）。根据本发明专利技术，在光学装置中采用干涉滤波器（3），以便将所发射的光功率稳定在所述干涉滤波器（3）的中心波长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】大气湿度或温度或者云高测量方法和设备本专利技术涉及根据权利要求I的前序部分所述的云探测设备。本专利技术还涉及大气湿度廓线或温度廓线或者云高测量设备。根据现有技术，采用半导体脉冲激光器(脉冲二极管激光器)进行云探测。在这些解决方案中，向正被测量的目标发送激光器的全部波段，并检测反向散射的光。在反向散射的信号的检测中，要么采用完全分离的检测器光学装置，要么替换地使部分相同的光学装置既在发射过程中工作又在检测过程中工作。现有技术的缺点在于，除却其良好的特性外，由于发射二极管激光器的非理想特性，所述方法是缓慢的。脉冲二极管激光器的发射功率遍布在宽的波长范围内。在高发射功率处，脉冲激光器也变热，并且发热引起发射功率的中心波长偏移。而且二极管激光器的中心波长的制造公差也大。由于宽波段和不稳定性，信噪比已经令人不满意。 在现有技术中，还采用其中激光器以单模工作的测试设备。这样的激光器极为昂贵，而且由于单模的原因，输出发生在线性谱内，在一些测量应用中，所述线性谱对于测量变量或大气的特性过于敏感。本专利技术旨在解决上文描述的现有技术的问题中的至少一些问题，并且出于这一目的创造了一种全新类型的用于测量大气湿度廓线或温度廓线或者云高的方法和设备。本专利技术以在光学装置中采用干涉滤波器为基础，以便使所发射的光功率稳定在所述干涉滤波器的中心频率。当激光器以多模工作并且激光器的辐射区域为线性时，本专利技术尤为有利。更具体而言，根据本专利技术的方法以在权利要求I的特征部分中陈述的内容为特征。就其本身而言，根据本专利技术的设备以在权利要求16的特征部分中陈述的内容为特征。借助本专利技术的应用获得相当多的优点。借助本专利技术，能够显著改善大气测量的信噪比，因为能够将所发射的信号功率集中到非常窄的测量波段内。利用根据本专利技术的采用了可倾斜干涉滤波器的实施例，能够借助非常简单的机械装置来获得精确的稳定结果。利用根据本专利技术的采用了空间狭缝滤波器的实施例，能够精确地以预期的光学角度引导已经通过所述滤波器的光能。由于多模的原因，能够采用非常经济的半导体激光器光源。尽管有多模，但是谱宽度仍然适合于很多大气测量应用。在下文中，将借助例子并参考附图来剖析本专利技术。图Ia示意性地示出了其中能够应用本专利技术的一种大气测量设备。图Ib示意性地示出了其中能够应用本专利技术的第二大气测量设备。图2示出了用于大气测量设备的根据本专利技术的激光器的稳定光学装置的示意性透视图。图3示出了根据本专利技术的发射光学装置的机械构造的细节。图4以图表的方式示出了根据本专利技术的解决方案在发射光学装置中的效果。图5以图表的方式更加详细地示出了本专利技术在发射光学装置中的效果。图6以图表的方式示出了替代(路线)波长，激光器能够被稳定到所述替代(路线)波长。图7示出了在将干涉滤波器调整到不同的波长时激光器的输出功率。图8以图表的方式示出了当大气中有水蒸汽时在两个不同的温度下测量的两条发射曲线。图9示出了其中采用两个发射器和一个分色镜实施两个或三个不同波长的测量 的根据本专利技术的替换解决方案。根据图la，湿度廓线和/或温度和/或云高测量装置包括公共的发射和接收光学装置10和11，由此，借助发射光学装置10和光源，将激光脉冲14发送到大气，所述激光脉冲14将从云或其他悬浮微粒或分子13被散射回到检测光学装置和设备11。控制和测量逻辑12确定所发射和接收的辐射的延迟和强度，并在其基础上确定云13的高度，或者相应地计算湿度廓线或温度廓线。例如，可以同轴地实施根据图Ia的光学装置，在这种情况下，发射将从所述光学装置的中心发生，并且接收将从同一光学装置的周围发生，或者替换地，发射和接收的位置能够改变地方。代替同轴，发射和接收可以是同一光学装置的不同部分。根据图lb，发射光学装置10可以和接收光学装置11是分离的。该图的解决方案只是一个例子，并且由于实践的原因，所述发射光学装置和接收光学装置能够相互靠近，从而允许从最大的可能高度范围的测量。在两种解决方案中，控制装置12通常都是计算机，其测量出射脉冲14的发射时刻和由接收检测器11检测到的抵达信号15的接收时刻之间的时间差以及它们的强度。这种技术是本领域技术人员已知的，因而不涉及到本专利技术。根据图2，发射光学装置包括二极管激光器1，在典型的实施例中，其由从一个或多个线性区域进行辐射的激光器构成。在该图中，将激光器I的尺寸放大了 10倍，以便使该图清晰。单线激光源I尤其适合大气湿度廓线的检测，而就现有知识而言，图2所示的双线解决方案对云高测量更为有利。在该例子情况下，激光器的谱由两条窄线构成。整个光学装置的长度大约为40-60mm。在根据图2的解决方案中，采用参考数字20描绘光轴。因而在该图中，采用两个激光源I形成两个来自线性区域的脉冲射线束9，在该实施例中，将所述脉冲射线束引导到非球面透镜2，其使得所述射线至少基本上平行。在透镜2之后，弓丨导射线束9通过狭缝遮罩4至干涉滤波器3，在该图的解决方案中，所述干涉滤波器是可倾斜的薄膜滤波器。通过使滤波器倾斜，射线束相对于滤波器的到达角改变，而且已知能够通过这种方式改变滤波器的中心波长。由于滤波器3的多层结构的原因，其倾斜减小了通过滤波器的波长。例如，可以借助在图3中被示为连接至滤波器3的螺钉40来手动地实施所述倾斜，在这种情况下，将所述波长设为是固定的，或者替换地也可以借助图9所示的马达205来实施所述倾斜。在图3的解决方案中，增加了与调整螺钉40连接的锁紧螺钉41。自然可以采用某种其他可调整干涉滤波器，例如基于加热的干涉滤波器或者电调整的干涉滤波器，来替代可倾斜滤波器3。在所述光学装置中，在所述干涉滤波器附近，优选地存在相对于光轴20横向设置的狭缝遮罩4。狭缝遮罩4允许光仅沿与激光器的辐射线成直角的方向通过其，并由此将激光器的反馈限制到这些相对于光轴以小角度，例如，以小于六度的角度进行辐射的波形。利用该狭缝滤波器，使得功率从束的边缘更多地移向中心。在所述例子中的情况下，所采用的其他光学装置只能够利用处于小于±6度的角度的光，其余的将被损失。即使没有该遮罩，根据本专利技术的解决方案也将起作用，但是遮罩改善了最终结果。接下来，将射线束引导到聚焦双合透镜5，所述聚焦双合透镜5将射线束9引导到分色镜6上，部分从所述分色镜继续出来通过光学装置的其余部分，以形成图Ia和图Ib所示的出射脉冲14。在分色镜上建立了激光器的表面的放大的、几乎清晰的图像。从所述分色镜，辐射能量中的一些被沿返回方向朝向激光二极管反射。这些射线再次通过干涉滤波器，并回击在于激光器的表面上进行辐射的线上，在与它们离开时基本相同的点处。该反馈引起激光器的谱的变窄，并引起在干涉滤波器的中心波长的位置处中心波长的稳定化。此夕卜，所述发射光学装置还包括未示出的通常为准直的透射透镜，其位于该图的右手侧。在本专利技术的一个测试解决方案中，在IOkHz的脉冲频率处，光发射功率为12mW，脉冲的波长为100ns。这对应于I. 2 μ J的脉冲能量以及大约12瓦的脉冲功率。 图3更加详细地示出了可倾斜干涉滤波器3的调整方式。将机械地连接至滤波器3的螺钉40置于所述光学装置的外表面，通过调整螺钉40的姿态能够控制滤波器3的角度。自然还可以通过适当的传动机构来实施所述调整。图4借助测量示出了本专利技术的效果。在图4中，水平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J卡利奥，
申请(专利权)人：威易拉有限公司，
类型：
国别省市：