[发明专利]一种高精度大气透过率测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度水平大气透过率测量装置和方法，属于光辐射能量在大气中传播时透过率测量装置。

背景技术

大气透过率是反映大气光学特征的一个重要参数，大气分子的吸收、散射，以及云、雾、雨、雪、灰霾等微粒的散射造成了光传播的能量衰减。大气透过率在气象、军事、大气环境监测等领域中都具有重要的参考价值，对激光大气工程（如通信、制导、测距、雷达和高功率传输等）和部分光学工程（如能见度测量、成像、遥感等）具有重要的意义。通过对大气透过率高精度的测量，能为多种光学工程系统的论证、研制、试验、仿真提供服务。

在大气透过率测量方法上，国内的多家科研院所都做了大量的研究工作，包括通过激光雷达后相散射测量大气透过率、直接测量光衰减得到大气透过率等。目前在直接测量光衰减得到大气透过率的装置中：多采用机械式斩光器调制光源，存在频率调制低、稳定性差，难以得到在弱信号检测中所需的稳定、高频率的调制信号的问题，影响了测量精度；同时，为了监测光源强度变化，多数采用双探测器测量通道，相应的配套光路调试很复杂，由于双探测器测量通道的不一致性，也给测量带来很大的误差。

发明内容

本发明的解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高精度大气透过率测量装置及测量方法，实现了长距离基线上的大气透过率精确测量，有效地提高了大气透过率测量系统的精确性，为大气透过率、消光系数等参数的精确测量提供了技术保障，且结构简单、调试方便、稳定性高。

本发明的技术解决方案：一种高精度大气透过率测量测量，包括发射端：激光器、激光器尾纤、第一光纤切换开关单元、第一光纤、光纤衰减器、第二光纤、光纤准直器、第三光纤，发射端控制信号线；接收端：光纤接收准直器，脉冲发生器、第四光纤、第二光纤切换开光单元、探测器光纤、探测器单元、锁定放大器、接收端控制信号线、信号处理单元。所述激光器通过激光器尾纤连接至第一光纤切换开关单元的输入端。第一光纤切换开关单元的输出端分别通过第一光纤输入至光纤衰减器、第二光纤进入光纤准直器。光纤接收准直器在光纤准直器的对面，接收通过光纤准直器发出的激光，光纤准直器和光纤接收准直器之间作为被测的大气空间。光纤接收准直器通过第四光纤连接到第二光纤切换开关单元输入端。光纤衰减器通过第三光纤也连接到第二光纤切换开关单元输入端。第二光纤切换开关单元输出端通过探测器光纤连接到探测器单元，探测器转换后的电信号传输至锁定放大器单元上进行解调，解调后的信号传输至信号处理单元进行信号处理。脉冲发生器通过发射端控制线、接收端控制线连接至第一光纤切换开关单元、第二光纤切换开关单元、锁定放大器单元，发送脉冲控制信号控制光纤切换开光单元和用于锁定放大器的参考信号。

本发明的测量方法：激光器发出的激光经过激光器尾纤后进入第一光纤切换开关单元，在脉冲发生器的脉冲控制下，第一光纤切换开关单元把输入激光轮流切换输出：通过第一光纤输入至光纤衰减器并经过光纤衰减器衰减后通过第三光纤进入第二光纤切换开关单元，在脉冲发生器的脉冲控制下通过第二光纤切换开关单元把光导入探测器光纤，作为监视光源强度的参考光；通过第二光纤进入光纤准直器，经过光纤准直器准直后进入开放空间作为测量光，测量光通过大气衰减的后进入光纤接收准直器，并通过第四光纤导入至第二光纤切换开关单元，在脉冲发生器的脉冲控制下通过第二光纤切换开关单元把光导入探测器光纤，作为探测大气透过率的测量光。参考光、测量光通过探测器光纤导入到探测器中，经过光电转化和前置放大后进入锁定放大器。所述信号发生器输入锁定放大器脉冲控制信号，对输入的参考光、测量光分别进行相敏检波，并由信号处理单元对检波后的信号进行模数转化，通过相应的算法处理，得到大气透过率、消光系数。

所述激光器采用带单模尾纤输出的半导体激光器，可以较容易地实现高耦合效率的激光输出。

所述脉冲发生器控制信号的频率为2.3Khz,即周期T为4.348×10^-4S，在每个周期内完成对测量、参考的一次的采样，每个周期T中包括两个子方波脉冲f₁、f₂，每个方波脉冲的占空比为之间间隔的时间，具体工作时序方式如下：

在周期的第一个方波脉冲f₁期间：

（1）在发射端控制第一光纤切换开关单元，控制连通激光器尾纤和第二光纤，使激光从光纤准直器输出，形成测量光并经过开放空间，被大气衰减后照射到光纤准直接收器；

（2）在接收端控制第二光纤切换开关单元，控制连通第四光纤和探测器光纤，将光纤准直接收器接收到的光传导到探测器上进行光电转化；