專利名稱：大氣濕度或溫度或者云高測量方法和設備的制作方法
大氣濕度或溫度或者云高測量方法和設備本發明涉及根據權利要求I的前序部分所述的云探測設備。本發明還涉及大氣濕度廓線或溫度廓線或者云高測量設備。根據現有技術，采用半導體脈沖激光器(脈沖二極管激光器)進行云探測。在這些解決方案中，向正被測量的目標發送激光器的全部波段，并檢測反向散射的光。在反向散射的信號的檢測中，要么采用完全分離的檢測器光學裝置，要么替換地使部分相同的光學裝置既在發射過程中工作又在檢測過程中工作。現有技術的缺點在于，除卻其良好的特性外，由于發射二極管激光器的非理想特性，所述方法是緩慢的。脈沖二極管激光器的發射功率遍布在寬的波長范圍內。在高發射功率處，脈沖激光器也變熱，并且發熱引起發射功率的中心波長偏移。而且二極管激光器的中心波長的制造公差也大。由于寬波段和不穩定性，信噪比已經令人不滿意。
在現有技術中，還采用其中激光器以單模工作的測試設備。這樣的激光器極為昂貴，而且由于單模的原因，輸出發生在線性譜內，在一些測量應用中，所述線性譜對于測量變量或大氣的特性過于敏感。本發明旨在解決上文描述的現有技術的問題中的至少一些問題，并且出于這一目的創造了一種全新類型的用于測量大氣濕度廓線或溫度廓線或者云高的方法和設備。本發明以在光學裝置中采用干涉濾波器為基礎，以便使所發射的光功率穩定在所述干涉濾波器的中心頻率。當激光器以多模工作并且激光器的輻射區域為線性時，本發明尤為有利。更具體而言，根據本發明的方法以在權利要求I的特征部分中陳述的內容為特征。就其本身而言，根據本發明的設備以在權利要求16的特征部分中陳述的內容為特征。借助本發明的應用獲得相當多的優點。借助本發明，能夠顯著改善大氣測量的信噪比，因為能夠將所發射的信號功率集中到非常窄的測量波段內。利用根據本發明的采用了可傾斜干涉濾波器的實施例，能夠借助非常簡單的機械裝置來獲得精確的穩定結果。利用根據本發明的采用了空間狹縫濾波器的實施例，能夠精確地以預期的光學角度引導已經通過所述濾波器的光能。由于多模的原因，能夠采用非常經濟的半導體激光器光源。盡管有多模，但是譜寬度仍然適合于很多大氣測量應用。在下文中，將借助例子并參考附圖來剖析本發明。圖Ia示意性地示出了其中能夠應用本發明的一種大氣測量設備。圖Ib示意性地示出了其中能夠應用本發明的第二大氣測量設備。圖2示出了用于大氣測量設備的根據本發明的激光器的穩定光學裝置的示意性透視圖。
圖3示出了根據本發明的發射光學裝置的機械構造的細節。圖4以圖表的方式示出了根據本發明的解決方案在發射光學裝置中的效果。圖5以圖表的方式更加詳細地示出了本發明在發射光學裝置中的效果。圖6以圖表的方式示出了替代(路線)波長，激光器能夠被穩定到所述替代(路線)波長。圖7示出了在將干涉濾波器調整到不同的波長時激光器的輸出功率。圖8以圖表的方式示出了當大氣中有水蒸汽時在兩個不同的溫度下測量的兩條發射曲線。圖9示出了其中采用兩個發射器和一個分色鏡實施兩個或三個不同波長的測量 的根據本發明的替換解決方案。根據圖la，濕度廓線和/或溫度和/或云高測量裝置包括公共的發射和接收光學裝置10和11，由此，借助發射光學裝置10和光源，將激光脈沖14發送到大氣，所述激光脈沖14將從云或其他懸浮微粒或分子13被散射回到檢測光學裝置和設備11。控制和測量邏輯12確定所發射和接收的輻射的延遲和強度，并在其基礎上確定云13的高度，或者相應地計算濕度廓線或溫度廓線。例如，可以同軸地實施根據圖Ia的光學裝置，在這種情況下，發射將從所述光學裝置的中心發生，并且接收將從同一光學裝置的周圍發生，或者替換地，發射和接收的位置能夠改變地方。代替同軸，發射和接收可以是同一光學裝置的不同部分。根據圖lb，發射光學裝置10可以和接收光學裝置11是分離的。該圖的解決方案只是一個例子，并且由于實踐的原因，所述發射光學裝置和接收光學裝置能夠相互靠近，從而允許從最大的可能高度范圍的測量。在兩種解決方案中，控制裝置12通常都是計算機，其測量出射脈沖14的發射時刻和由接收檢測器11檢測到的抵達信號15的接收時刻之間的時間差以及它們的強度。這種技術是本領域技術人員已知的，因而不涉及到本發明。根據圖2，發射光學裝置包括二極管激光器1，在典型的實施例中，其由從一個或多個線性區域進行輻射的激光器構成。在該圖中，將激光器I的尺寸放大了 10倍，以便使該圖清晰。單線激光源I尤其適合大氣濕度廓線的檢測，而就現有知識而言，圖2所示的雙線解決方案對云高測量更為有利。在該例子情況下，激光器的譜由兩條窄線構成。整個光學裝置的長度大約為40-60mm。在根據圖2的解決方案中，采用參考數字20描繪光軸。因而在該圖中，采用兩個激光源I形成兩個來自線性區域的脈沖射線束9，在該實施例中，將所述脈沖射線束引導到非球面透鏡2，其使得所述射線至少基本上平行。在透鏡2之后，弓丨導射線束9通過狹縫遮罩4至干涉濾波器3，在該圖的解決方案中，所述干涉濾波器是可傾斜的薄膜濾波器。通過使濾波器傾斜，射線束相對于濾波器的到達角改變，而且已知能夠通過這種方式改變濾波器的中心波長。由于濾波器3的多層結構的原因，其傾斜減小了通過濾波器的波長。例如，可以借助在圖3中被示為連接至濾波器3的螺釘40來手動地實施所述傾斜，在這種情況下，將所述波長設為是固定的，或者替換地也可以借助圖9所示的馬達205來實施所述傾斜。在圖3的解決方案中，增加了與調整螺釘40連接的鎖緊螺釘41。自然可以采用某種其他可調整干涉濾波器，例如基于加熱的干涉濾波器或者電調整的干涉濾波器，來替代可傾斜濾波器3。在所述光學裝置中，在所述干涉濾波器附近，優選地存在相對于光軸20橫向設置的狹縫遮罩4。狹縫遮罩4允許光僅沿與激光器的輻射線成直角的方向通過其，并由此將激光器的反饋限制到這些相對于光軸以小角度，例如，以小于六度的角度進行輻射的波形。利用該狹縫濾波器，使得功率從束的邊緣更多地移向中心。在所述例子中的情況下，所采用的其他光學裝置只能夠利用處于小于±6度的角度的光，其余的將被損失。即使沒有該遮罩，根據本發明的解決方案也將起作用，但是遮罩改善了最終結果。接下來，將射線束引導到聚焦雙合透鏡5，所述聚焦雙合透鏡5將射線束9引導到分色鏡6上，部分從所述分色鏡繼續出來通過光學裝置的其余部分，以形成圖Ia和圖Ib所示的出射脈沖14。在分色鏡上建立了激光器的表面的放大的、幾乎清晰的圖像。從所述分色鏡，輻射能量中的一些被沿返回方向朝向激光二極管反射。這些射線再次通過干涉濾波器，并回擊在于激光器的表面上進行輻射的線上，在與它們離開時基本相同的點處。該反饋引起激光器的譜的變窄，并引起在干涉濾波器的中心波長的位置處中心波長的穩定化。此夕卜，所述發射光學裝置還包括未示出的通常為準直的透射透鏡，其位于該圖的右手側。在本發明的一個測試解決方案中，在IOkHz的脈沖頻率處，光發射功率為12mW，脈沖的波長為100ns。這對應于I. 2 μ J的脈沖能量以及大約12瓦的脈沖功率。
圖3更加詳細地示出了可傾斜干涉濾波器3的調整方式。將機械地連接至濾波器3的螺釘40置于所述光學裝置的外表面，通過調整螺釘40的姿態能夠控制濾波器3的角度。自然還可以通過適當的傳動機構來實施所述調整。圖4借助測量示出了本發明的效果。在圖4中，水平軸是波長，垂直軸是出射信號的幅度。右側的淺信號30描繪了在沒有干涉濾波器3的情況下出射信號14的功率，左側的窄峰31描繪了借助在有濾波器3的情況下相應地出射信號的譜。在這種情況下，激光器由此被調諧到波長31。從該圖可以看出，可以采用干涉濾波器使激光的強度大約是波長單位的十倍。在圖5中，以更加精確的波長標度示出信息，并且采用參考數字50來標記中心波長。根據圖6，始終根據所述實施例，就濾波器3的調諧而言存在各種替換方案。采用參考數字90來表示用于在熱帶條件下的最大透射率的推薦的激光器調諧波長，在所述熱帶條件下大氣含有大量的水蒸汽。因而，在該調諧下，有可能實現最大探測高度。另一方面采用參考數字91表示在較低的大氣水分含量下的測量中能夠獲得良好結果所處的波長。然后，將采用參考數字90和參考數字91的波長測量的反向散射相互比較。圖7表明，即使將激光器的波長調整到不同的波長，根據曲線100激光器的輸出功率仍然大體相同。這意味著根據本發明的光學裝置在足夠寬的波長范圍內是可供使用的，而且能夠完全通過改變濾波器的角度來執行波長調整。所述光學裝置例如對于溫度的變化也不是過度敏感的。圖8以圖表的方式示出了含有水蒸汽的空氣層的兩條透射率曲線110和111。上面的曲線110是在296Κ的溫度下計算的，下面的曲線111是在266Κ的溫度下計算的，在兩種情況下水蒸汽混合比是相同的。圖Ila示出了曲線110和111之間的差。從圖8可以看出，可以通過比較波長112和113的信號來實施水分含量測量，在該情況下，在波長113處，水蒸汽幾乎不吸收測量信號，并且在波長112處獲得吸收最大值。可以由那些信號之間的配給量來確定水蒸汽的量。
一方面，由于大約在波長911nm處在水吸收最大值114處的溫度實際上對水的吸收沒有影響，因而如果混合比保持恒定，那么如果同時希望確定空氣層的溫度則可以采用該波長114作為參考波長。因而，然后測量在點113處的透射率，在此處水對透射率實際上沒有影響，此外，還測量在點112處的透射率，在該點處包含溫度的影響，除了這些測量之外還測量在點114處的透射率，在該點處能夠獨立于溫度來確定水-蒸汽混合配給量。借助馬達205通過使干涉濾波器3充分迅速地傾斜來執行所述測量。在本申請中，術語充分迅速的測量是指測量間隔最多為幾秒，優選小于I秒的測量。替換地，也可以借助類似所描 繪的那些的兩個激光發射器200和201以及根據
圖12的波長選擇分色鏡202來實施兩個或更多波長的測量。替換地，可以借助兩個激光發射器200和201來實施三點測量，如果在所述發射器之一內包含馬達205控制的干涉濾波器3的話。根據本發明的解決方案在其脈沖功率大于IOW的半導體激光器中尤為有利。
權利要求
1.一種大氣云高、濕度廓線或溫度廓線測量方法，在所述方法中，通過發射光學裝置(2，3，4，5，6)將脈沖激光信號(14)發射到大氣，并檢測從那反射或散射(15)回來的信號， 其特征在于 在所述光學裝置中采用了干涉濾波器(3)，以便將所發射的光功率穩定在干涉濾波器(3)的中心頻率。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于在所述穩定化過程中采用可調整干涉濾波器(3)。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述穩定化過程中采用通過傾斜可調整的干涉濾波器(3)。
4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述穩定化過程中采用通過加熱可調整的干涉濾波器(3)。
5.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，在所述穩定化過程中采用電可調整的法布里-珀羅干涉濾波器(3)。
6.根據上述權利要求中的任何一項所述的方法，其特征在于，所述干涉濾波器(3)在所述發射光學裝置(2，3，4，5，6)中位于這樣的地方，其中射線束(9)至少基本平行。
7.根據上述權利要求中的任何一項所述的方法，其特征在于，采用從線性區域進行輻射的脈沖半導體激光器(I)作為光源。
8.根據上述權利要求中的任何一項所述的方法，其特征在于，采用一個線性激光器(I)作為大氣濕度廓線和/或溫度廓線的測量的光源。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，采用至少兩個線性激光器(I)作為光源，例如用于云高的測量。
10.根據上述權利要求中的任何一項所述的方法，其特征在于，采用下面的沿來自光源(I)的光行進的方向列出的兀件作為發射光學裝置(2,3,4,5,6) -準直透鏡(2)， -可傾斜干涉濾波器(3)， -聚焦透鏡(5)，以及 -分色鏡(6)。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，在可傾斜干涉儀(3)的表面上采用狹窄的狹縫濾波器(4)，以便以更銳的透射角引導光功率。
12.根據上述權利要求中的任何一項所述的方法，其特征在于，借助馬達(205)調整干涉濾波器(3)。
13.根據上述權利要求中的任何一項所述的方法，其特征在于，在三個不同的波長處執行測量作為三點測量(112，113，114)，其方式是，一個測量點為參考點(113)，在該點處濕度實際上沒有影響，第二個點(112)對濕度和溫度都敏感，第三個點(114)對濕度(114)和溫度都敏感，但與第二點(112)不同，使得能夠確定目標的濕度和溫度兩者。
14.根據上述權利要求中的任何一項所述的方法，其特征在于，借助被調諧至不同波長的兩個激光發射器(200，201)和分色鏡(202)執行測量，使得在該測量中交替所述激光發射器(200，201)。
15.根據上述權利要求中的任何一項所述的方法，其特征在于，采用多模半導體激光器(I)作為光源。
16.一種大氣云高或濕度廓線測量設備，其包括 -二極管脈沖激光器( I)，以及 -發射光學裝置(2，3,4,5,6),利用其能夠形成脈沖且穩定的激光信號(14)，并且所述激光信號(14)能夠被發射到云上，以及 -用于檢測被反射和散射回來的信號(15)的裝置(11，12)， 其特征在于 -所述設備包括用于將所發射的激光功率穩定在所述干涉濾波器(3)的中心頻率處的干涉濾波器(3)。
17.根據權利要求16所述的設備，其特征在于，所述干涉濾波器(3)能夠被調整。
18.根據權利要求17所述的設備，其特征在于，所述干涉濾波器(3)能夠通過傾斜而被調整。
19.根據權利要求17所述的設備，其特征在于，所述干涉濾波器(3)能夠通過加熱而被調整。
20.根據權利要求17所述的設備，其特征在于，所述干涉濾波器(3)是電可調整的法布里-珀羅干涉濾波器(3)。
21.根據上述權利要求中的任何一項所述的設備，其特征在于，所述干涉濾波器(3)在所述發射光學裝置(2，3,4,5,6)中位于這樣的地方，其中射線束(10)至少基本平行。
22.根據上述權利要求中的任何一項所述的設備，其特征在于，所述光源為線性激光器(I)。
23.根據權利要求22所述的設備，其特征在于，所述光源由至少兩個線性激光器(I)構成。
24.根據上述權利要求中的任何一項所述的設備，其特征在于，所述發射光學裝置(2，3，4，5，6)包括下面的沿來自光源(I)的光行進的方向列出的元件 -準直透鏡(2)， -可傾斜干涉濾波器(3)， -聚焦透鏡(5)，以及 -分色鏡(6)。
25.根據權利要求24所述的設備，其特征在于，在所述干涉濾波器(3)的表面上采用狹窄的狹縫濾波器(4)以便以更銳的透射角引導所反饋的光功率。
26.根據上述權利要求中的任何一項所述的設備，其特征在于，所述設備包括用于調整所述干涉濾波器(3)的馬達(205)。
27.根據上述權利要求中的任何一項所述的設備，其特征在于，所述設備包括用于在三個不同的波長處實施測量作為三點測量(112，113，114)的裝置，其測量方式是一個測量點作為參考點(113)，在該點濕度實際上不能影響，第二個點(112)對濕度和溫度都敏感，第三個點(114)以與第二個點不同的方式對濕度(114)和溫度都敏感，使得能夠確定目標的濕度和溫度兩者。
28.根據上述權利要求中的任何一項所述的設備，其特征在于，所述設備包括被調諧至兩個不同波長的激光發射器(200，201)和分色鏡(202 )。
29.根據上述權利要求中的任何一項所述的設備，其特征在于，所述光源為多模半導體激光器(I)。
全文摘要
本申請公開了一種大氣云高、濕度廓線或溫度測量方法和裝置。在所述方法中，將脈沖激光信號(14)通過發射光學裝置(2，3，4，5，6)發射到大氣，并檢測從那反射或散射回來的信號(15)。根據本發明，在光學裝置中采用干涉濾波器(3)，以便將所發射的光功率穩定在所述干涉濾波器(3)的中心波長。
文檔編號H01S5/14GK102893177SQ201180021793
公開日2013年1月23日 申請日期2011年4月28日 優先權日2010年4月30日
發明者J.卡利奧 申請人:威易拉有限公司