[发明专利]激光前向散射云滴谱探测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于测量大气中水汽滴谱分布和水汽含量的激光前向散射云粒子探测系统。

背景技术

现有技术中用于测量大气中气溶胶的激光前向散射探测系统，是利用空气中的微小气溶胶粒子，对激光的米氏前向散射信号和差分吸收原理来测量特定种类的大气气溶胶。

比如美国专利号US 2006/0232776 A1公开的名称为“有害微粒测量的系统和方法”的专利，就是这样的测量装置。它是由多台不同波长激光器作为发射源，其中一束作为参考光，另外几束作为探测光，若探测通道存在特定种类的有害气溶胶，利用有效气溶胶对参考光吸收较弱而对探测光有较强吸收，以及有害气溶胶对几束光均有较强的前向散射效应的原理，采用分光镜将不同波长的散射信号分开，一种波长的散射信号分布一个探测器接受，对探测光和参考光散射信号的强度对比及后续处理，得到被探测气溶胶的成分信息。

该专利采用多台分离的激光器作为发射源，对激光器的波长稳定性和功率稳定性都有较高的要求。其光路中有多片对某一波长激光全反、其它波长激光器全透的光学镜片存在，该光学镜片存在加工困难，制造成本高，费用昂贵的缺陷。另外，它在进行探测时，由于散射信号较弱，各波长激光的散射系数不一致，散射信号的强度对比容易误判，而影响测量准确性和测量精度。而且该专利只能测量气溶胶粒子的种类，不能得到气溶胶粒子的直径大小和分布。

发明内容

本发明是对现有技术的进一步改进和发展，其目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种测量精度高、结构简单、安装调试方便、体积小巧的激光前向散射云滴谱探测系统。

为了达到上述目的，本发明提供的一种激光前向散射云滴谱探测系统，包括，分为两臂的激光前向散射云滴谱探头和置于箱体内的信号处理及控制系统、聚焦光学系统和散射光收集系统，其特征在于，作为发射源的激光器和激光聚焦光学系统安装在同一臂的探头内，光电探测器通过散射光收集光学系统安装在另一臂探头内，信号放大电路安装于两臂探头基体之间，聚焦光学系统在焦点附近形成粒子散射探测区，该散射区位于两臂中心，散射信号经过分束棱镜按比例到达两个光电探测器，一个光电探测器的信号强度确定粒子大小，另一个探测器的信号强度确定散射区面积，成像透镜将散射光汇聚于分束棱镜，被引导到两个相互垂直放置的探测器中进行对比探测，光信号脉冲经信号放大电路后耦合到信号处理及控制系统中进行处理，输出值经传输电缆送入计算机系统，对数据作进一步的数据采集、滤波处理计算、数据综合、反演、显示及储存操作，计算得出的大气中的云滴谱及云滴数浓度和含水量数据。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明只用一只光强度分布均匀激光器作为发射源，利用聚焦光学系统在焦点附件形成粒子散射探测区，即保证了散射区的光均匀性和增加了散射光强度。散射信号经过分束棱镜按比例到达两个探测器，一个探测器的信号强度确定粒子大小，另一个探测仪的信号强度确定散射区面积，系统可以准确测量粒子的大小，统计粒径分布，计算水汽浓度。解决了现有技术系统复杂，制造成本高，容易导致信号误判影响测量准确性云以及功能单一的问题。

本发明利用空气中的微小水汽粒子对激光的米氏前向散射信号来测量水汽的谱分布和大气中的水汽含量。采用均匀强度红光半导体激光器作为照射源，通过激光束准直、聚焦，在空间中划出一定大小的采样区。通过采样区的粒子对激光产生散射信号，经过对前向散射信号的测量、景深内粒子判定，双通道弱信号探测等手段，能够实现对尺度为2-50μm的云粒子分布的测量。该系统可以确的粒子的多个参数如：平均直径、均方根直径、数浓度、总浓度、含水量和采样体积等。

本发明具有体积小，结构紧凑，实时测量，测量精度高的特点，在实时指挥人工增雨作业、确定云粒子分布、云物理学研究等均能得到广泛应用。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图对本发明进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施范围之中。所有这些构思应视为本技术所公开的内容和本发明的保护范围。

图1是本发明激光前向散射云滴谱探测系统的构造框图。

图2是图1采样区内粒子对激光的前向散射原理图。

图3是本发明的云粒子谱分布数据。

图4是本发明的粒子数浓度曲线。

图5是本发明给出的云粒子滴谱分布和大气的含水量数据。