專利名稱：使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)及定標方法
使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)及定標方法
技術領域：
本發(fā)明涉及大氣探測系統(tǒng)，尤其是指使用單色儀分光的水汽拉曼系統(tǒng)及定標方法。
背景技術：
水汽拉曼激光雷達系統(tǒng)可以用來獲得對流層的水汽分布輪廓線、氣溶膠消光系數、后向散射系數、激光雷達比等大氣參數。作為一種多功能的激光雷達，回波信號能量分布于多個波長，如何將各個波長的回波信號分離分別采集是水汽拉曼激光雷達技術的關鍵。在水汽拉曼激光雷達的應用中，往往應用單色儀或多色儀作為分光元件，以將不同波長的回波信號分離，分別采集感興趣波長處的強度信號進行比較分析，獲得所需的大氣信息。如 A. Ansmann, M. Riebesell 等發(fā)表在 Appl. Phys. B 期刊 1992 年 55 卷第 18-28 頁上，題目為“組合彈性后向散射一拉曼激光雷達探測水汽、氣溶膠消光系數、后向散射和激光雷達比的豎直廓線” (Combined Raman Elastic-Backscatter LIDAR for Vertical Profiling ofMoisture, Aerosol Extinction, Backscatter, and LIDAR ratio),該系統(tǒng)米用兩個多色儀作為各波長回波信號的分離系統(tǒng)，一個多色儀是二色分光鏡與干涉濾光片系統(tǒng)，用于分離彈性散射信號及氮氣和水汽的拉曼信號；另一個光柵多色儀用于分離二氧化碳、氧氣和水的拉曼信號，分離后的不同波長的回波信號分別進入各自的探測通道，經鑒別器甄選后由光子計數器計數，然后由計算機對采集到的信號進行處理分析，獲得大氣目標參數。作為一種由產生單色光而進行光譜分析、測量的基本儀器，單色儀或多色儀出射的波長的精確性具有很高的重要性。單色儀或多色儀出射的單色光波長由儀器內棱鏡或光柵的相對位置決定，棱鏡或光柵的相對位置由儀器外部的轉動軸上的刻度標識，該刻度就對應了出射的單色光波長。儀器出廠時，一般都已對實際出射波長和刻度波長視數進行了定標，使二者一致。但是各個元件的狀態(tài)可能隨運輸、裝調、長期使用等外在條件而改變，從而使實際波長和視數波長產生偏差，影響單色儀或多色儀讀數的精確性，不但會給實驗帶來額外的系統(tǒng)誤差，還有可能出現回波信號接收強度不足、甚至接收不到信號等問題。為避免此種情況，就需要對儀器重新進行定標，根據實際波長和視數波長之間的偏差對原數據進行修正，使實際波長數據和視數波長一致。傳統(tǒng)定標方法往往使用各種波長已知的線狀譜光源如汞燈、氫燈、納燈、氖燈以及弧光燈等對單色儀進行定標，這種方法具有一定局限性，譜線朦朧模糊不易分辨、相鄰譜線顏色界定不明確等均會影響定標結果，并且，觀察者的判斷亦有可能為單色儀的定標引入較大誤差。因此，本發(fā)明提供一種使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)及定標方法，該系統(tǒng)不僅能夠探測大氣的信息，且能夠較準確的對單色儀的波長進行定標，而有效地減少水汽拉曼系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。
發(fā)明內容本發(fā)明提供一種使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)及定標方法，其不僅能夠探測大氣信息，且能夠較準確的對單色儀的波長進行定標，而有效地減少水汽拉曼系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。本發(fā)明是這樣實現的一種使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，該水汽拉曼系統(tǒng)包括單色儀、激光器、激光雷達單元、傳導光纖、信號采集單元、及步進馬達，其特征在于，該水汽拉曼系統(tǒng)還包括定標樣品單元，該激光器輸出的光束可選擇性的射入該定標樣品單元或激光雷達單元，該傳導光纖用于將該定標樣品單元產生的第一拉曼光信號及該激光雷達單元產生的第二拉曼光信號傳遞給該單色儀，該信號采集單元與該單色儀電連接，用于對第一拉曼光信號或第二拉曼光信號的采集、模數轉換、暫存等數據處理，該步進馬達與該單色儀電連接， 用于控制單色儀處于不同的中心波長。該激光器發(fā)出的光經過定標樣品單元發(fā)生拉曼散射之后，光信號再經傳導光纖傳遞給該單色儀，通過該步進馬達的控制選擇單色儀的中心波長，從而確定精確的波長，提高了水汽拉曼系統(tǒng)的精確度。優(yōu)選的是，該定標樣品單元包括氮氣樣品室、聚焦透鏡、蒸餾水樣品室及可對樣品溫度與壓力進行調節(jié)的控制系統(tǒng)，該氮氣樣品室和該蒸餾水樣品室為拉曼散射樣品，具有造價低、應用普遍、容易得到等優(yōu)點；該聚焦透鏡用于聚集該激光器輸出的光束，而產生高能量來產生水汽及提高其含量，極大地增強了水汽拉曼散射的信號強度，易于探測，提高了整體信噪比，方法簡便易行；而該控制系統(tǒng)則用于保證拉曼散射過程中外部環(huán)境的穩(wěn)定性。為了能夠使該激光器選擇不同的對象輸出光束，在該定標樣品單元和該激光雷達單元的下方均增設至少一支架，該支架為可三維移動支架，支架的移動可帶動該定標樣品單元或激光雷達單元的移動，從而改變接收激光器發(fā)出的光束的對象。優(yōu)選的是，該水汽拉曼系統(tǒng)還包括計算機系統(tǒng)，該計算機系統(tǒng)與該支架電連接，該計算機系統(tǒng)還與該步進馬達電連接，該計算機系統(tǒng)中安裝有激光觸發(fā)控制程序、光電倍增管電壓控制程序、步進馬達控制程序、三維移動支架控制程序及信號采集軟件，以對整個單色儀定標過程的控制、數據儲存和數據處理。優(yōu)選的是，該信號采集單元包括光電倍增管和信號瞬態(tài)記錄儀，該光電倍增管與該單色儀電連接，而該信號瞬態(tài)記錄儀與該計算機系統(tǒng)電連接，該光電倍增管用于將第一光信號、第二光信號轉變?yōu)殡娦盘枺员阌谠撚嬎銠C系統(tǒng)進行處理。利用高靈敏度的該光電倍增管作為光電轉換器件，精確測量各波長處的光譜強度，確保了單色儀定標的精確性。該單色儀中包括有控制光柵或棱鏡位置的轉動軸，該轉動軸與該步進馬達連接， 通過對該步進馬達的控制改變光柵或棱鏡的位置，以控制單色儀處于不同的中心波長，計算機系統(tǒng)控制步進馬達實現單色儀光柵或棱鏡的位置，更進一步的提高了定標的精確性。為了光能夠被該傳導光纖進行傳輸，在該傳導光纖的的兩端分別設有一含有凸透鏡的進光筒和出光筒。本發(fā)明還提供了一種使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)的定標方法，其包括有
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(1).計算機系統(tǒng)控制支架移動，使定標樣品單元與激光器的光束對準，并產生第
一拉曼信號；(2).傳導光纖傳導該第一拉曼信號給單色儀；(3).計算機系統(tǒng)控制轉動軸來改變單色儀中光柵或棱鏡的位置，選擇單色儀分出的單色光的中心波長；(4).該信號采集單元記錄該光信號轉變成的電信號，并存儲于計算機系統(tǒng)內。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明的水汽拉曼系統(tǒng)在原水汽拉曼系統(tǒng)上增設定標樣品單元，利用定標樣品單元的已知的拉曼信號作為標準為單色儀進行定標，更巧妙的加入定標樣品單元及可三維移動的支架，通過電腦的控制，移動三維支架使得探測重點在激光雷達單元和定標樣品單元間自由轉換，可在單色儀完成定標后直接開始進行大氣探測，而無需對原系統(tǒng)做其它的改動，避免了系統(tǒng)元件的移動造成的誤差，且增加了大氣探測的精確性。

圖1 本發(fā)明使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)的示意圖；圖2 定標樣品單元的內部構成圖；圖3 實驗獲得的水汽拉曼散射信號；圖4 理論計算得到的水汽拉曼散射系數隨波長的分布；圖5 理論計算信號強度分布與實驗采集到的拉曼信號的重合。
具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明做詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，該水汽拉曼系統(tǒng)包括激光器1、定標樣品單元2、激光雷達單元3、傳導光纖5、單色儀6、信號采集單元80及步進馬達7。其中，該激光器1輸出的光束可在該定標樣品單元2和激光雷達單元3之間轉換， 該傳導光纖5用于將該定標樣品單元2產生的第一拉曼光信號或該激光雷達單元3接收到的第二拉曼光信號傳遞給該單色儀6，該信號采集單元80與該單色儀6電連接，用于對第一拉曼光信號或第二拉曼光信號的采集、模數轉換、暫存等數據處理，該步進馬達7與該單色儀6電連接，用于控制單色儀6處于不同的中心波長。該激光器1輸出的光束先射入該定標樣品單元2，通過定標樣品單元2的拉曼反射產生的第一拉曼信號，再由傳導光纖5傳遞給單色儀6，通過步進馬達7的控制使單色儀6分出光而使單色儀處于不同的中心波長，對單色儀6進行定標。如圖2所示，該定標樣品單元2包括氮氣樣品室11、聚焦透鏡12、及蒸餾水樣品室13，還包括可對樣品溫度與壓力進行調節(jié)的控制系統(tǒng)(圖未示)，該氮氣樣品室11和該蒸餾水樣品室13為已知拉曼信號的標準樣品，該聚焦透鏡12能夠聚焦激光器1發(fā)出的光束，產生更高的能量。該激光器1輸出的光束射入該定標樣品單元2后，通過該氮氣樣品室 11使其內的氮氣產生拉曼散射，再經過聚焦透鏡12，使能量更聚集，使光束通過該該蒸餾水樣品室13的中心，部分液態(tài)水蒸發(fā)轉化為水汽同時使之產生拉曼散射。樣品室11及13中產生的拉曼散射即為第一拉曼光信號。優(yōu)選的是，該定標樣品單元2和該激光雷達單元3的下方分別增設有支架4、14，該定標樣品單元2和該激光雷達單元3分別固定于支架4、14上。該支架4、14為可三維移動支架，其可帶動該定標樣品單元2和該激光雷達單元3移動。繼續(xù)參見圖1，該水汽拉曼系統(tǒng)還包括計算機系統(tǒng)10，其與該支架4、14電連接，用于控制該支架4、14的移動方向，該計算機系統(tǒng)10還與該步進馬達7電連接，以控制步進馬達7的轉動。該單色儀6具有控制或棱鏡的轉動軸61，該轉動軸61與該步進馬達7連接， 而計算機系統(tǒng)10控制該步進馬達7，以達到控制該該轉動軸61，進而改變單色儀6的光柵或棱鏡的位置，以控制單色儀6處于不同的中心波長，來對單色儀6進行定標。該信號采集單元80包括光電倍增管8和信號瞬態(tài)記錄儀9，該光電倍增管8與該單色儀6電連接，該信號瞬記錄儀9與該計算機系統(tǒng)10電連接，該光電倍增管8和該信號瞬態(tài)記錄儀9之間通過光纖15電連接。其中，該光電倍增管8的工作電壓可選擇在0-850v 之間，而該信號瞬態(tài)記錄儀9有模擬計數和光電計數兩種信號記錄方式，其分別記錄較強的信號和較弱的信號。在本發(fā)明中，優(yōu)選在該計算機系統(tǒng)10中安裝有激光觸發(fā)控制程序、光電倍增管電壓控制程序、步進馬達控制程序、三維移動支架控制程序及信號采集軟件，以對該激光器1、 信號采集單元80、步進馬達7及支架4、14進行控制，從而提高單色儀定標及大氣探測的精確度。為了該激光雷達單元3能夠探測大氣參數，該激光雷達單元3還包括激光擴束裝置和回波信號接收裝置，此部分結構已屬于現有技術，本發(fā)明在此不再贅述。優(yōu)選的是，該傳導光纖5的兩端分別設有一含凸透鏡的進光筒51和出光筒52，進光筒51用于收集光信號，而出光筒52則固定于該單色儀6的入光縫，使采集到的拉曼散射光信號進入單色儀6進行分光。該定標樣品單元2和該激光雷達單元3產生的第一拉曼光信號或第二拉曼光信號通過該進光筒51收集，經該傳導光纖5傳輸，再經該出光筒52輸出ο在本實施例中，激光器1優(yōu)選為Nd:YAG固體激光器，其脈沖能量為100 300mJ， 重復頻率為10 50Hz。步進馬達7的精度為400步/轉，每轉對應單色儀6中心波長變化25nm，即步進馬達每前進一步，在其控制下，單色儀的中心波長相應增加0. 0625nm，實際應用中可根據所需的測量精度采用不同步數的步進馬達。在進行大氣探測時，首先要對單色儀6進行定標。計算機系統(tǒng)10控制支架4、14 移動，使定標樣品單元2與激光器1對準。激光器1發(fā)出三倍頻(355nm)激光束進入定標樣品單元2之后，首先通過標準氮氣樣品室11，使其內的氮氣產生拉曼散射，從標準氮氣樣品室11出射的激光經凸透鏡12聚焦于蒸餾水樣品室13的中心，使部分液態(tài)水蒸發(fā)轉化為水汽同時使之產生拉曼散射。標準氮氣樣品室11和蒸餾水樣品室13均有恒溫恒壓控制， 以保證拉曼散射過程環(huán)境的穩(wěn)定，其中產生的拉曼散射拉曼第一光信號由傳導光纖5的進光筒51收集，經傳導光纖5傳輸，再通過該出光筒52輸出。進入該單色儀6，經該單色儀6 分光處理，通過計算機系統(tǒng)10對步進馬達7的控制，改變單色儀6中光柵或棱鏡的位置，從而自由選擇單色儀分出的單色光的中心波長。單色儀6分出的光經出光縫直接進入光電倍增管8，將該光信號轉變?yōu)殡娦盘枴＾D換后的電信號由光纖15導入信號瞬態(tài)記錄儀9，該信號瞬態(tài)記錄儀9用以完成對光電轉換后的電信號的采集、模數轉換、暫存等數據處理工作； 步進馬達7同信號瞬態(tài)記錄儀9均由計算機系統(tǒng)10中的程序控制，激光器1發(fā)射激光的頻率亦可由計算機的內置程序改變，使之與采集信號的頻率一致，減小誤差。單色儀定標工作完成后，計算機系統(tǒng)10再控制可三維移動的支架4、14移動，移開定標樣品單元2，將激光雷達單元3的出光處對準傳導光纖5的入光端，開始大氣探測工作。整個過程無系統(tǒng)其他元件的改動，在保證了原有的大氣探測工作不受影響的條件下，減小了系統(tǒng)因單色儀波長不準確所帶來的誤差。圖3為采集到的水汽的拉曼散射信號，該信號已進行去噪處理。由于單色儀6出射實際波長和視數波長的不統(tǒng)一，該信號位置的視數波長并未處于水汽拉曼信號的標準波長該有的位置。圖4給出了由355nm激光激發(fā)的水汽拉曼信號的散射系數隨波長的分布， 該理論結果公開在Journal of MolecularSpectroscopy期刊1999年196卷第77-92頁上，論文題目為“0H拉伸區(qū)域中水汽的轉動振動拉曼截面”(Ro-vibrational Raman Cross Sections of WaterVapor in the OH Stretching Region)，作者是G. Avila等，文中給出了計算水汽拉曼散射截面的相關理論及分子常數。將利用該理論所得的結果與單色儀6傳遞函數卷積可得到實際應該輸出的信號波形如圖5曲線2所示，該曲線所示的強度已經進行歸一化處理，此即為理論上應采集到的水汽拉曼信號的分布，將圖3實驗采集到的水汽拉曼信號分布進行歸一化處理后平移，使之處于與圖5曲線2吻合最佳的位置，如圖5所示， 此時圖中的曲線1就是圖3中的實驗采集到的經歸一化處理后的水汽拉曼散射信號。由圖 5可看出，此時理論計算得到的水汽拉曼散射信號與實驗采集到的信號很好地重疊，由這種重疊的最佳狀態(tài)時即可知道單色儀實際輸出波長與視數波長的差值，在實驗中只需將其減去即可降低系統(tǒng)誤差。為求精確，氮氣在387nm處的拉曼信號亦可作為參考，實驗時可令步進馬達7在氮氣和水汽拉曼散射信號波長間范圍多掃描幾次，以消減偶然誤差。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何基于本發(fā)明技術方案上的等效變換均屬于本發(fā)明保護范圍之內。
權利要求
1.一種使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，該水汽拉曼系統(tǒng)包括單色儀、激光器、激光雷達單元、傳導光纖、信號采集單元、及步進馬達，其特征在于，該水汽拉曼系統(tǒng)還包括定標樣品單元，該激光器輸出的光束可選擇性的射入該定標樣品單元或激光雷達單元，該傳導光纖用于將該定標樣品單元產生的第一拉曼光信號或該激光雷達單元產生的第二拉曼光信號傳遞給該單色儀，該信號采集單元與該單色儀電連接，用于對第一拉曼光信號或第二拉曼光信號的采集、模數轉換、暫存等數據處理，該步進馬達與該單色儀電連接， 用于控制單色儀處于不同的中心波長。
2.如權利要求1所述的使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其特征在于，該定標樣品單元包括氮氣樣品室、聚焦透鏡、蒸餾水樣品室及可對樣品溫度與壓力進行調節(jié)的控制系統(tǒng)，其中，該氮氣樣品室和該蒸餾水樣品室為該拉曼散射的標準樣品，該聚焦透鏡用于聚集該激光器輸出的光束。
3.如權利要求1所述的使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其特征在于，該激光雷達單元包括激光擴束裝置及回波信號接收裝置。
4.如權利要求1所述的使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其特征在于，該定標樣品單元和該激光雷達單元下方均增設至少一支架，該定標樣品單元和該激光雷達單元固定于該支架上。
5.如權利要求4所述的使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其特征在于，該支架為可三維移動支架。
6.如權利要求1所述的使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其特征在于，該水汽拉曼系統(tǒng)還包括計算機系統(tǒng)，該計算機系統(tǒng)與該支架電連接，用于控制該支架的移動方向，該計算機系統(tǒng)還與該步進馬達電連接，用于控制該步進馬達的移動。
7.如權利要求1所述的使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其特征在于，該信號采集單元包括光電倍增管和信號瞬態(tài)記錄儀，該光電倍增管與該單色儀電連接，而該信號瞬態(tài)記錄儀與該計算機系統(tǒng)電連接。
8.如權利要求1所述的使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其特征在于，該單色儀具有控制光柵或棱鏡位置的轉動軸，該轉動軸與該步進馬達連接，通過對該步進馬達的控制改變光柵或棱鏡的位置，以控制單色儀處于不同的中心波長。
9.如權利要求1所述的使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其特征在于，該傳導光纖的的兩端分別設有含有凸透鏡的進光筒和出光筒。
10.如權利要求6所述的使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其特征在于，該計算機系統(tǒng)中安裝有激光觸發(fā)控制程序、光電倍增管電壓控制程序、步進馬達控制程序、三維移動支架控制程序及信號采集軟件。
11.一種使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)的定標方法，其包括有(1).計算機系統(tǒng)控制支架移動，使定標樣品單元與激光器的光束對準，并產生第一拉曼信號；(2).傳導光纖傳導該第一拉曼信號給單色儀；(3).計算機系統(tǒng)控制轉動軸來改變單色儀中光柵或棱鏡的位置，選擇單色儀分出的單色光的中心波長；(4).該信號采集單元記錄該光信號轉變成的電信號，并存儲于計算機系統(tǒng)內。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用單色儀分光的高精度的水汽拉曼系統(tǒng)，其通過在原水汽拉曼系統(tǒng)上增設定標樣品單元，利用定標樣品單元的已知的拉曼信號作為標準為單色儀進行定標，更巧妙的加入可三維移動的支架，通過電腦的控制，通過三維支架的移動使得探測重點在激光雷達單元和定標樣品單元間自由轉換，可在單色儀完成定標后直接開始進行大氣探測，而無需對原水汽拉曼系統(tǒng)做其它的改動，避免了水汽拉曼系統(tǒng)元件的移動造成的誤差，且增加了大氣探測的精確性。
文檔編號G01J3/12GK102200581SQ201010158109
公開日2011年9月28日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權日2010年3月25日
發(fā)明者馮瑞權, 冼保生, 朱建華, 鄭玉臣 申請人:澳門科技大學