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原文传递基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置及方法

专利名称：	基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置及方法
摘要：	本发明涉及基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置及方法。该装置包括光源模块、光路模块、光探测模块和控制模块。该方法是光源经高速脉冲调制后作用于光路模块，一部分入射光作为参考光，一部分入射光经大气消光后作为透射光信号，经光探测模块与控制模块计算获得大气能见度。本发明可以对光信号进行高精度的测量，实现宽量程上大气能见度的精确测量。同时，通过光信号的飞行时间区分参考光、透射光以及环境杂散光，提高系统抗干扰能力与测量精度。此外，本发明采用了光路自校正结构，降低了光路调试的复杂程度，减小了场地安装要求，增加了实用性。本发明可应用于气象观测站、机场、高速公路、港口以及大气环境监测等行业。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	中国科学院合肥物质科学研究院
发明人：	刘建国;杨义新;桂华侨;张礁石;余同柱;王健;丛洲洋
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-14T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-03T00:00:00+0800
申请号：	CN201811536579.8
公开号：	CN109709078A
代理机构：	合肥天明专利事务所(普通合伙)
代理人：	奚华保
分类号：	G01N21/61(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	230031 安徽省合肥市蜀山湖路350号
主权项：	1.基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置，其特征在于：包括光源模块、光路模块、光探测模块和控制模块；所述光源模块包括依次相连的振荡器、光源驱动器和光源；所述光路模块包括依次设置在光源输出光路上的准直透镜、分光镜和角反射镜，依次设置在角反射镜反射光路上的全反镜、第一聚焦透镜、第一滤光片、第一光阑、第二聚焦透镜、第二滤光片和第二光阑，依次设置在全反镜反射光路上的第三聚焦透镜、第三滤光片和第三光阑以及第一保护镜与第二保护镜；所述光探测模块包括第一光电探测器、第二光电探测器和单光子探测器；所述第一光电探测器的输入端接第一光阑的出射端；所述第二光电探测器的输入端接第二光阑的出射端；所述单光子探测器的输入端接第三光阑的出射端；所述控制模块包括控制器、显示模块和存储模块；所述控制器的输入端分别与第一光电探测器的输出端、第二光电探测器的输出端、单光子探测器的输出端、振荡器的输出端相连；控制器的输出端分别与单光子探测器的输入端、显示模块的输入端和存储模块的输入端相连。 2.根据权利要求1所述的基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置，其特征在于：该装置还包括角反射镜姿态调整机构，所述角反射镜姿态调整机构，其输入端与控制器的输出端相连，其输出端与角反射镜相连。 3.根据权利要求1所述的基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置，其特征在于：所述光源采用激光二极管，光源的波长为850nm。 4.根据权利要求1所述的基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置，其特征在于：所述分光镜的分束比小于0.1。 5.根据权利要求1所述的基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置，其特征在于：所述全反镜上开设有自上向下依次设置的两个圆孔。 6.根据权利要求1所述的基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置，其特征在于：所述第一光电探测器和第二光电探测器均采用PIN光电探测器。 7.根据权利要求1所述的基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置，其特征在于：所述第一保护镜和第二保护镜均采用平面玻璃片，且所述平面玻璃片的外表面镀有红外增透膜和憎水膜。 8.根据权利要求1～7任意一项所述的基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： (1)振荡器输出信号，作用于光源驱动器，产生高速脉冲信号；高速脉冲信号作用于光源，产生高速脉冲调制光； (2)高速脉冲调制光经过准直透镜和分光镜后，一部分光入射到角反射镜上，被角反射镜、全反镜反射后，经过第三聚焦透镜、第三滤光片和第三光阑作为透射光被单光子探测器接收，另外一部分光透过全反镜后经过第三聚焦透镜、第三滤光片和第三光阑作为参考光束被单光子探测器接收； (3)当第一光电探测器探测到光信号时，控制器控制角反射镜姿态调整机构驱动角反射镜沿X正向移动，以矫正光路；当第二光电探测器探测到光信号时，控制器控制角反射镜姿态调整机构驱动角反射镜沿X负向移动，以矫正光路； (4)当第一光电探测器与第二光电探测器均未探测到光信号时：控制器开始接收振荡器输出信号作为参考时钟，延迟时间t1秒后开启单光子探测器t秒；单光子探测器接收参考光束并产生相应的电脉冲信号，延迟时间t2秒后开启单光子探测器t秒；单光子探测器接收透射光束并产生相应的电脉冲信号，延迟时间t3秒后开启单光子探测器t秒；单光子探测器接收环境光并产生相应的电脉冲信号；控制器内部的计数器分别完成对参考光、透射光与环境光的电脉冲信号计数，计数值分别对应为N0、Nr与Nn，实现光信号的光强到光子计数值的转换； (5)重复上述步骤(1)～(4)，控制器完成若干周期的测量，采用公式计算大气能见度值MOR，并将计算结果存储于存储模块，同时在显示模块上显示；其中，L为基线长度，k为装置的系统常数，N0、Nr、Nn分别为参考光、透射光与环境光的电脉冲信号计数值。 9.根据权利要求8所述的基于单光子探测技术的透射式大气能见度测量装置的测量方法，其特征在于：步骤(4)中，所述延迟时间t1、t2、t3秒以振荡器输出信号为参考时钟，通过计算参考光束、透射光束的光飞行时间来设定，以区分参考光、透射光以及环境光，其中t1
所属类别：	发明专利