[实用新型]散射式云粒子探测器光学系统

说明书

技术领域

本实用新型设计了一种基于单模光纤耦合输出半导体激光器、散射多角度接收的云粒子探测器。使用单模光纤耦合输出半导体激光器和方孔光阑研制云粒子探测器，通过使用方孔切掉高斯光束的边缘部分，仅保留高斯光束的顶部，利用4f光学系统将方孔成像在测量敏感区域中心位置，在测量敏感区域中心位置产生近似平顶光束，解决照明不均匀问题，使用方孔光阑产生正方形光束，使粒子穿过照亮区域的时间相同，电脉冲的时间宽度相同，易于后续的电子学处理。实用新型的云粒子探测器具有两个散射能量接收系统，从前向和侧后向两个角度接收粒子散射，根据两个角度输出电信号的比值，可以推断云粒子的相态。

背景技术

人工增雨是人工影响天气的最重要的活动之一，具有很高的社会效益和经济效益。为使云中水分更多地转化为降水，从而达到增雨的目的，人工增雨活动需要于适当时机在云体的适当部位进行催化作业。但是，由于云体的复杂多变等因素，单凭地面上的一些观测手段所得到的信息很难准确的确定云中的可播区，这对催化决策的准确性造成很大影响，因此如何准确的了解云系的结构是人工影响天气科学问题的焦点。利用飞机直接飞入云系内部，进行有效的观测，是近代云物理学一直采用的研究方法。上世纪70年代以来，美国研制了一套自动化的机载云粒子测量系统(PMS)，目前该套仪器的在自动化测量和探测精度的方面均有了很大的提高，其中散射式云粒子探头是该套仪器中的一个组成部分，其测量范围为0.5-47um。

目前，最先进的散射式云粒子测量系统功能工作原理如下，系统使用658nm的连续激光作为照明光源，照明光束截面是200×180um，形成的测量敏感区域大小为2mm×180um。云粒子探头安装在飞机外部，且激光传输方向垂直于飞机飞行的方向，飞机飞行时可以认为粒子垂直于光束方向穿过激光束，粒子穿过过程中散射激光能量，直射光被贴在收集透镜上的全反镜反出光路，用以激光器能量的监测，散射光收集镜收集4-12°之间的散射能量，收集来的光被分光镜分为33/66％两部分(探测通道和质量控制通道)，分别使用光电探测器探测。其中质量控制通道其面有小孔光阑，当粒子距离测量中心位置较远时，根据几何成像的观点则成像的位置发生变化(前后发生变化)，而使部分的光被光阑挡住，因此出现质量控制通道能量小于探测通道的情况，距离焦点越远则质量控制通道探测得到的能量越少，而探测通道能量基本不发生变化，则根据两者之间的关系，可以舍弃距离焦点较远的粒子。在电子学上，探测通道和质量控制通道出来的电信号首先被放大，然后通过比较器进行质量控制，同时使用多通道信号分析仪对探测通道的信号进行分析，比较器输出为0或5V的数字信号送给DSP，作为接收和拒收的判断依据，如果是高电平则将分析仪输出的信号通过RS232串口送给计算机，若为低电平，则系统不记录该粒子。

在长时间的使用与维护中发现，对于上述散射式云粒子测量系统就光学部分而言主要存在以下几个方面的问题。(1)系统使用自由空间输出的半导体激光器，在光的传输过程中存在快轴、慢轴之分，经过一段距离后光斑为椭圆形状，不但激光模式在X轴、Y轴不同，而且不利于后续光学系统的设计、加工、处理；(2)系统中的200×180um光束是由光阑形成，由于光阑小孔很小，必须考虑波动光学中的衍射，因此，激光到达光学吸收体后，其大小远不止200um×180um这个尺寸，因为粒子散射能量本身很小，必须高度抑制直射光，增大反射镜的面积可以增加直射光的抑制程度，但同时也损耗了散射光，而且是0°附近的散射光，使散射光受到很大的衰减；(3)直射光全反镜由于不能使用调整架(怕对散射光有遮挡)而直接胶合在散射光收集透镜上；(4)接收系统中没有窄带滤光片，而云粒子探测一般是在白天进行，很多杂散光进入接收系统，影响系统的信噪比；(5)该系统只能得到云粒子的大小信息，不能获取云粒子的相态。现代光学技术的发展，为改进该系统提供了必要的条件，通过采用现代化的光电器件、结合严密的几何光学波动光学设计，应该能够得到优于该系统的云粒子探测系统。

发明内容

本实用新型解决的技术问题：通过使用单模光纤耦合输出半导体激光器、非球面准直镜、方孔光阑和4f变换系统，既产生了需要的激光的均匀照明，又解决了光束切割过程中的衍射问题，提高了散射光接收的纯度；实用新型的云粒子探测器具有两个接收角度，根据两个角度输出电信号的比值，可以推断云粒子的相态。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种散射式云粒子探测器光学系统：包括发射光学单元、前向散射探测单元和侧后向散射探测单元；