本發(fā)明屬于激光誘導(dǎo)熒光雷達(dá)主動(dòng)遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物氣溶膠本征熒光峰值波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，還涉及上述檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

在熒光激光雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)接收中，需對(duì)回波信號(hào)中的熒光信號(hào)進(jìn)行分光提取，由于激光誘導(dǎo)熒光波長(zhǎng)的不確定性，對(duì)熒光信號(hào)提取調(diào)試時(shí)，往往需要頻繁的更換分光片；更換的過(guò)程中，由于人為操作等原因，容易產(chǎn)生光路偏差及分光片損傷，從而導(dǎo)致熒光信號(hào)不能正確的被探測(cè)器接收。而且隨著波長(zhǎng)分辨率的進(jìn)一步增加，分光片的更換頻率也會(huì)隨之增加，受實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件的限制，不能人為的頻繁換取分光片。因此，為了能快速、準(zhǔn)確和高效且不影響實(shí)驗(yàn)環(huán)境的情況下對(duì)熒光峰值波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)，成為一個(gè)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種生物氣溶膠本征熒光峰值波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠大大減少分光片的更換時(shí)間和降低人為操作產(chǎn)生的偏差，并實(shí)現(xiàn)熒光峰值波長(zhǎng)的自動(dòng)確定。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供上述檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法。

本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，一種生物氣溶膠本征熒光峰值波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，包括二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上設(shè)有支架，支架上沿水平方向依次設(shè)有若干分光鏡片，二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)依次連接主控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、放大電路及光電探測(cè)器，二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)還連接上位機(jī)。

本發(fā)明第一種技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于，

所述光電探測(cè)器通過(guò)光電倍增管實(shí)現(xiàn)探測(cè)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，主控制系統(tǒng)中包括ARM或DSP微處理器。

本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案是，一種生物氣溶膠本征熒光峰值波長(zhǎng)檢測(cè)方法，具體包括如下步驟：

步驟1，令分光鏡片的個(gè)數(shù)為N，將每個(gè)分光鏡片標(biāo)記為M_i，將二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的位置記為P_j；

步驟2，將二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的初始位置記為P₁，j＝1，初始位置P₁處的第M₁個(gè)分光鏡片，i＝1將熒光信號(hào)分離、提取并反射進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將接收到的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給放大電路，放大電路將電信號(hào)進(jìn)行放大處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行采集得到熒光信號(hào)電壓值V_y，y＝1，電壓值V_y存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；

步驟3，主控制系統(tǒng)控制二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在上一步驟位置的基礎(chǔ)上順時(shí)針進(jìn)一個(gè)位移量，二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的位置記為P_j+1，此時(shí)P_j+1位置處的第M_i+1個(gè)分光鏡片將熒光信號(hào)分離、提取并反射進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將接收到的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給放大電路，放大電路將電信號(hào)進(jìn)行放大處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行采集得到熒光信號(hào)電壓值V_y+1，電壓值V_y+1存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；

步驟4，令j+1＝j(luò)、i+1＝i、y+1＝y(tǒng)，主控制系統(tǒng)控制二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在上一步驟位置的基礎(chǔ)上順時(shí)針進(jìn)一個(gè)位移量，此時(shí)二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的位置記為P_j+1，此時(shí)P_j+1位置處的第M_i+1個(gè)分光鏡片將熒光信號(hào)分離、提取并反射進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將接收到的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給放大電路，放大電路將電信號(hào)進(jìn)行放大處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行采集得到熒光信號(hào)電壓值V_y+1，電壓值V_y+1存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；

步驟5，重復(fù)執(zhí)行步驟4，直至第M_N個(gè)分光鏡片將熒光信號(hào)分離、提取并反射進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將接收到的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給放大電路，放大電路將電信號(hào)進(jìn)行放大處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行采集得到熒光信號(hào)電壓值V_N，電壓值V_N存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；

步驟6，將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的N個(gè)熒光信號(hào)電壓值進(jìn)行比較，得到最大電壓值V_max，根據(jù)最大電壓值V_max確定分光鏡片在二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的相應(yīng)位置P_max；

步驟7，主控制系統(tǒng)控制二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到最大電壓值V_max的分光鏡片位置P_max，此時(shí)，位置P_max對(duì)應(yīng)的分光鏡片的波長(zhǎng)即為生物氣溶膠熒光峰值波長(zhǎng)。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明借鑒了光電倍增管重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊和光電轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)、提出利用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電壓值進(jìn)行數(shù)值采集和進(jìn)行差值比較的方法，采用精密旋轉(zhuǎn)軸承對(duì)分光鏡片自動(dòng)、快速更換的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物氣溶膠本征熒光信號(hào)準(zhǔn)確提取及熒光峰值波長(zhǎng)的自動(dòng)確定，以解決由于人為操作等的原因，使光路產(chǎn)生偏差及分光片損傷，從而導(dǎo)致熒光信號(hào)不能正確的被探測(cè)器接收的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)在不影響實(shí)驗(yàn)環(huán)境的情況下對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行分離提取并確定其熒光峰值波長(zhǎng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、成本低，為提高生物氣溶膠熒光信號(hào)分離、提取及熒光峰值波長(zhǎng)確定提供了一種全新的解決方案。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種生物氣溶膠本征熒光峰值波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種生物氣溶膠本征熒光峰值波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)中分光鏡片對(duì)熒光信號(hào)分光的示意圖。

圖中，1.分光鏡片，2.支架，3.二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，4.光電探測(cè)器，5.放大電路，6.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，7.主控制系統(tǒng)，8.上位機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明一種生物氣溶膠本征熒光峰值波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3，二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3上設(shè)有支架2，支架2上沿水平方向依次設(shè)有若干分光鏡片1，二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3依次連接主控制系統(tǒng)7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6、放大電路5及光電探測(cè)器4，二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3還連接上位機(jī)8。

光電探測(cè)器4通過(guò)光電倍增管實(shí)現(xiàn)探測(cè)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，主控制系統(tǒng)7中包括ARM或DSP微處理器。

采用上述檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行的生物氣溶膠本征熒光峰值波長(zhǎng)檢測(cè)方法，具體包括如下步驟：

步驟1，令分光鏡片1的個(gè)數(shù)為N，將每個(gè)分光鏡片1標(biāo)記為M_i，將二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的位置記為P_j(相應(yīng)有N個(gè)P_j)；

步驟2，將二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3的初始位置記為P₁，j＝1，初始位置P₁處的第M₁個(gè)分光鏡片1，i＝1將熒光信號(hào)分離、提取并反射進(jìn)入光電探測(cè)器4(激光雷達(dá)發(fā)射的激光束與大氣中的生物氣溶膠顆粒相互作用，產(chǎn)生后向散射回波信號(hào)及熒光信號(hào)被激光雷達(dá)系統(tǒng)接收后，射向分光鏡片1)，光電探測(cè)器4將接收到的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給放大電路5，放大電路5將電信號(hào)進(jìn)行放大處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行采集得到熒光信號(hào)電壓值V_y，y＝1，電壓值V_y存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6中；

步驟3，主控制系統(tǒng)7控制二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3在上一步驟位置的基礎(chǔ)上順時(shí)針進(jìn)一個(gè)位移量，二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3的位置記為P_j+1，此時(shí)P_j+1位置處的第M_i+1個(gè)分光鏡片1將熒光信號(hào)分離、提取并反射進(jìn)入光電探測(cè)器4，光電探測(cè)器4將接收到的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給放大電路5，放大電路5將電信號(hào)進(jìn)行放大處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行采集得到熒光信號(hào)電壓值V_y+1，電壓值V_y+1存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6中；

步驟4，令j+1＝j(luò)、i+1＝i、y+1＝y(tǒng)，主控制系統(tǒng)7控制二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3在上一步驟位置的基礎(chǔ)上順時(shí)針進(jìn)一個(gè)位移量，此時(shí)二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3的位置記為P_j+1，此時(shí)P_j+1位置處的第M_i+1個(gè)分光鏡片將熒光信號(hào)分離、提取并反射進(jìn)入光電探測(cè)器4，光電探測(cè)器4將接收到的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給放大電路5，放大電路5將電信號(hào)進(jìn)行放大處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行采集得到熒光信號(hào)電壓值V_y+1，電壓值V_y+1存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6中；

步驟5，重復(fù)執(zhí)行步驟4，直至第M_N個(gè)分光鏡片1將熒光信號(hào)分離、提取并反射進(jìn)入光電探測(cè)器4，光電探測(cè)器4將接收到的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給放大電路5，放大電路5將電信號(hào)進(jìn)行放大處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6對(duì)放大后的電信號(hào)進(jìn)行采集得到熒光信號(hào)電壓值V_N(電壓值的個(gè)數(shù)與分光鏡片1的個(gè)數(shù)相同)，電壓值V_N存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；

步驟6，將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6中的N個(gè)熒光信號(hào)電壓值進(jìn)行比較，得到最大電壓值V_max，根據(jù)最大電壓值V_max確定分光鏡片1在二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3上的相應(yīng)位置P_max；

步驟7，主控制系統(tǒng)7控制二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使二維旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3轉(zhuǎn)動(dòng)到最大電壓值V_max的分光鏡片1位置P_max，此時(shí)，位置P_max對(duì)應(yīng)的分光鏡片1的波長(zhǎng)即為生物氣溶膠熒光峰值波長(zhǎng)。

本發(fā)明一種生物氣溶膠本征熒光峰值波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的原理為：在同一激光的誘導(dǎo)下，不同類(lèi)型的生物氣溶膠粒子，產(chǎn)生的熒光峰值波長(zhǎng)存在較大差異。如不能準(zhǔn)確的了解熒光波長(zhǎng)，在對(duì)熒光分光時(shí)，需要反復(fù)更換分光鏡片，直至將熒光信號(hào)分離。尤其在多種生物氣溶膠的情況下，如需分離出某一探測(cè)目標(biāo)的熒光信號(hào)，則要更換更多的分光鏡片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，在系統(tǒng)分光的過(guò)程中，只有在熒光進(jìn)入光電倍增管的情況下，才能夠產(chǎn)生電信號(hào)；然而，由于分光鏡片本身具有反射光的能力，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，當(dāng)沒(méi)有生物氣溶膠粒子熒光信號(hào)反射進(jìn)入光電倍增管時(shí)，仍存在少部分非生物氣溶膠粒子熒光的光信號(hào)進(jìn)入光電倍增管，從而產(chǎn)生微弱的電信號(hào)偏差，所以，需對(duì)1至N個(gè)分光鏡片分離出的光信號(hào)所產(chǎn)生的電壓值進(jìn)行逐一比較。

首先，生物氣溶膠熒光強(qiáng)度為：

式中，E₀為激光輸出脈沖能量，c為光速，A₀為望遠(yuǎn)鏡接收面積，z為探測(cè)距離，α為大氣消光系數(shù)，λ₁為激發(fā)波長(zhǎng)，λ₂為熒光波長(zhǎng)，ξ(R)為幾何重疊因子，η₀為光學(xué)系統(tǒng)對(duì)熒光波長(zhǎng)的接收效率，S為熒光非彈性散射的有效截面積，Δλ為濾光片帶寬，N(z)為生物氣溶膠粒子數(shù)密度。

熒光經(jīng)過(guò)分光鏡片反射進(jìn)入光電倍增管，光電倍增管對(duì)進(jìn)入的熒光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到電流信號(hào)：

式中，η_pmt為光電探測(cè)器的探測(cè)效率，e為電子電荷，h為普朗克常數(shù)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路處理，得到電壓值：

V_s＝i_s·R (3)；

最后，數(shù)據(jù)采集卡對(duì)各分光鏡片反射的熒光信號(hào)產(chǎn)生的電壓值V₁、V₂、….V_N數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理及差值比較得到熒光信號(hào)最大電壓值V_max。

附圖2中，分光鏡片1直徑為250mm，反射率95％；分光鏡片1與回波光路成45度夾角，熒光反射光路與回波光路成90度直角。