专利名称：大气湿度或温度或者云高测量方法和设备的利记博彩app
大气湿度或温度或者云高测量方法和设备本发明涉及根据权利要求I的前序部分所述的云探测设备。本发明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。本发明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。本发明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，本发明尤为有利。更具体而言，根据本发明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，根据本发明的设备以在权利要求16的特征部分中陈述的内容为特征。借助本发明的应用获得相当多的优点。借助本发明，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。利用根据本发明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。利用根据本发明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发明。图Ia示意性地示出了其中能够应用本发明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发明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发明的激光器的稳定光学装置的示意性透视图。
图3示出了根据本发明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发明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发明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 的根据本发明的替换解决方案。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，因而不涉及到本发明。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，根据本发明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。在本发明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借助测量示出了本发明的效果。在图4中，水平轴是波长，垂直轴是出射信号的幅度。右侧的浅信号30描绘了在没有干涉滤波器3的情况下出射信号14的功率，左侧的窄峰31描绘了借助在有滤波器3的情况下相应地出射信号的谱。在这种情况下，激光器由此被调谐到波长31。从该图可以看出，可以采用干涉滤波器使激光的强度大约是波长单位的十倍。在图5中，以更加精确的波长标度示出信息，并且采用参考数字50来标记中心波长。根据图6，始终根据所述实施例，就滤波器3的调谐而言存在各种替换方案。采用参考数字90来表示用于在热带条件下的最大透射率的推荐的激光器调谐波长，在所述热带条件下大气含有大量的水蒸汽。因而，在该调谐下，有可能实现最大探测高度。另一方面采用参考数字91表示在较低的大气水分含量下的测量中能够获得良好结果所处的波长。然后，将采用参考数字90和参考数字91的波长测量的反向散射相互比较。图7表明，即使将激光器的波长调整到不同的波长，根据曲线100激光器的输出功率仍然大体相同。这意味着根据本发明的光学装置在足够宽的波长范围内是可供使用的，而且能够完全通过改变滤波器的角度来执行波长调整。所述光学装置例如对于温度的变化也不是过度敏感的。图8以图表的方式示出了含有水蒸汽的空气层的两条透射率曲线110和111。上面的曲线110是在296Κ的温度下计算的，下面的曲线111是在266Κ的温度下计算的，在两种情况下水蒸汽混合比是相同的。图Ila示出了曲线110和111之间的差。从图8可以看出，可以通过比较波长112和113的信号来实施水分含量测量，在该情况下，在波长113处，水蒸汽几乎不吸收测量信号，并且在波长112处获得吸收最大值。可以由那些信号之间的配给量来确定水蒸汽的量。
一方面，由于大约在波长911nm处在水吸收最大值114处的温度实际上对水的吸收没有影响，因而如果混合比保持恒定，那么如果同时希望确定空气层的温度则可以采用该波长114作为参考波长。因而，然后测量在点113处的透射率，在此处水对透射率实际上没有影响，此外，还测量在点112处的透射率，在该点处包含温度的影响，除了这些测量之外还测量在点114处的透射率，在该点处能够独立于温度来确定水-蒸汽混合配给量。借助马达205通过使干涉滤波器3充分迅速地倾斜来执行所述测量。在本申请中，术语充分迅速的测量是指测量间隔最多为几秒，优选小于I秒的测量。替换地，也可以借助类似所描 绘的那些的两个激光发射器200和201以及根据
图12的波长选择分色镜202来实施两个或更多波长的测量。替换地，可以借助两个激光发射器200和201来实施三点测量，如果在所述发射器之一内包含马达205控制的干涉滤波器3的话。根据本发明的解决方案在其脉冲功率大于IOW的半导体激光器中尤为有利。
权利要求
1.一种大气云高、湿度廓线或温度廓线测量方法，在所述方法中，通过发射光学装置(2，3，4，5，6)将脉冲激光信号(14)发射到大气，并检测从那反射或散射(15)回来的信号， 其特征在于 在所述光学装置中采用了干涉滤波器(3)，以便将所发射的光功率稳定在干涉滤波器(3)的中心频率。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于在所述稳定化过程中采用可调整干涉滤波器(3)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述稳定化过程中采用通过倾斜可调整的干涉滤波器(3)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述稳定化过程中采用通过加热可调整的干涉滤波器(3)。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述稳定化过程中采用电可调整的法布里-珀罗干涉滤波器(3)。
6.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，所述干涉滤波器(3)在所述发射光学装置(2，3，4，5，6)中位于这样的地方，其中射线束(9)至少基本平行。
7.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，采用从线性区域进行辐射的脉冲半导体激光器(I)作为光源。
8.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，采用一个线性激光器(I)作为大气湿度廓线和/或温度廓线的测量的光源。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，采用至少两个线性激光器(I)作为光源，例如用于云高的测量。
10.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，采用下面的沿来自光源(I)的光行进的方向列出的兀件作为发射光学装置(2,3,4,5,6) -准直透镜(2)， -可倾斜干涉滤波器(3)， -聚焦透镜(5)，以及 -分色镜(6)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在可倾斜干涉仪(3)的表面上采用狭窄的狭缝滤波器(4)，以便以更锐的透射角引导光功率。
12.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，借助马达(205)调整干涉滤波器(3)。
13.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，在三个不同的波长处执行测量作为三点测量(112，113，114)，其方式是，一个测量点为参考点(113)，在该点处湿度实际上没有影响，第二个点(112)对湿度和温度都敏感，第三个点(114)对湿度(114)和温度都敏感，但与第二点(112)不同，使得能够确定目标的湿度和温度两者。
14.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，借助被调谐至不同波长的两个激光发射器(200，201)和分色镜(202)执行测量，使得在该测量中交替所述激光发射器(200，201)。
15.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，采用多模半导体激光器(I)作为光源。
16.一种大气云高或湿度廓线测量设备，其包括 -二极管脉冲激光器( I)，以及 -发射光学装置(2，3,4,5,6),利用其能够形成脉冲且稳定的激光信号(14)，并且所述激光信号(14)能够被发射到云上，以及 -用于检测被反射和散射回来的信号(15)的装置(11，12)， 其特征在于 -所述设备包括用于将所发射的激光功率稳定在所述干涉滤波器(3)的中心频率处的干涉滤波器(3)。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述干涉滤波器(3)能够被调整。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述干涉滤波器(3)能够通过倾斜而被调整。
19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述干涉滤波器(3)能够通过加热而被调整。
20.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述干涉滤波器(3)是电可调整的法布里-珀罗干涉滤波器(3)。
21.根据上述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述干涉滤波器(3)在所述发射光学装置(2，3,4,5,6)中位于这样的地方，其中射线束(10)至少基本平行。
22.根据上述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述光源为线性激光器(I)。
23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述光源由至少两个线性激光器(I)构成。
24.根据上述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述发射光学装置(2，3，4，5，6)包括下面的沿来自光源(I)的光行进的方向列出的元件 -准直透镜(2)， -可倾斜干涉滤波器(3)， -聚焦透镜(5)，以及 -分色镜(6)。
25.根据权利要求24所述的设备，其特征在于，在所述干涉滤波器(3)的表面上采用狭窄的狭缝滤波器(4)以便以更锐的透射角引导所反馈的光功率。
26.根据上述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于调整所述干涉滤波器(3)的马达(205)。
27.根据上述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于在三个不同的波长处实施测量作为三点测量(112，113，114)的装置，其测量方式是一个测量点作为参考点(113)，在该点湿度实际上不能影响，第二个点(112)对湿度和温度都敏感，第三个点(114)以与第二个点不同的方式对湿度(114)和温度都敏感，使得能够确定目标的湿度和温度两者。
28.根据上述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括被调谐至两个不同波长的激光发射器(200，201)和分色镜(202 )。
29.根据上述权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于，所述光源为多模半导体激光器(I)。
全文摘要
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，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。
文档编号H01S5/14GK102893177SQ201180021793
公开日2013年1月23日 申请日期2011年4月28日 优先权日2010年4月30日
发明者J.卡利奥 申请人:威易拉有限公司