CN102200581B - 使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统及定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其通过在原水汽拉曼系统上增设定标样品单元，利用定标样品单元的已知的拉曼信号作为标准为单色仪进行定标，更巧妙的加入可三维移动的支架，通过电脑的控制，通过三维支架的移动使得探测重点在激光雷达单元和定标样品单元间自由转换，可在单色仪完成定标后直接开始进行大气探测，而无需对原水汽拉曼系统做其它的改动，避免了水汽拉曼系统元件的移动造成的误差，且增加了大气探测的精确性。

Description

使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统及定标方法

【技术领域】

本发明涉及大气探测系统，尤其是指使用单色仪分光的水汽拉曼系统及定标方法。

【背景技术】

水汽拉曼激光雷达系统可以用来获得对流层的水汽分布轮廓线、气溶胶消光系数、后向散射系数、激光雷达比等大气参数。作为一种多功能的激光雷达，回波信号能量分布于多个波长，如何将各个波长的回波信号分离分别采集是水汽拉曼激光雷达技术的关键。

在水汽拉曼激光雷达的应用中，往往应用单色仪或多色仪作为分光元件，以将不同波长的回波信号分离，分别采集感兴趣波长处的强度信号进行比较分析，获得所需的大气信息。如A.Ansmann、M.Riebesell等发表在Appl.Phys.B期刊1992年55卷第18-28页上，题目为“组合弹性后向散射—拉曼激光雷达探测水汽、气溶胶消光系数、后向散射和激光雷达比的竖直廓线”(Combined Raman Elastic-Backscatter LIDAR for Vertical Profiling ofMoisture，Aerosol Extinction，Backscatter，and LIDAR ratio)，该系统采用两个多色仪作为各波长回波信号的分离系统，一个多色仪是二色分光镜与干涉滤光片系统，用于分离弹性散射信号及氮气和水汽的拉曼信号；另一个光栅多色仪用于分离二氧化碳、氧气和水的拉曼信号，分离后的不同波长的回波信号分别进入各自的探测通道，经鉴别器甄选后由光子计数器计数，然后由计算机对采集到的信号进行处理分析，获得大气目标参数。

作为一种由产生单色光而进行光谱分析、测量的基本仪器，单色仪或多色仪出射的波长的精确性具有很高的重要性。单色仪或多色仪出射的单色光波长由仪器内棱镜或光栅的相对位置决定，棱镜或光栅的相对位置由仪器外部的转动轴上的刻度标识，该刻度就对应了出射的单色光波长。仪器出厂时，一般都已对实际出射波长和刻度波长视数进行了定标，使二者一致。但是各个元件的状态可能随运输、装调、长期使用等外在条件而改变，从而使实际波长和视数波长产生偏差，影响单色仪或多色仪读数的精确性，不但会给实验带来额外的系统误差，还有可能出现回波信号接收强度不足、甚至接收不到信号等问题。为避免此种情况，就需要对仪器重新进行定标，根据实际波长和视数波长之间的偏差对原数据进行修正，使实际波长数据和视数波长一致。

传统定标方法往往使用各种波长已知的线状谱光源如汞灯、氢灯、纳灯、氖灯以及弧光灯等对单色仪进行定标，这种方法具有一定局限性，谱线朦胧模糊不易分辨、相邻谱线颜色界定不明确等均会影响定标结果，并且，观察者的判断亦有可能为单色仪的定标引入较大误差。

因此，本发明提供一种使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统及定标方法，该系统不仅能够探测大气的信息，且能够较准确的对单色仪的波长进行定标，而有效地减少水汽拉曼系统的系统误差。

【发明内容】

本发明提供一种使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统及定标方法，其不仅能够探测大气信息，且能够较准确的对单色仪的波长进行定标，而有效地减少水汽拉曼系统的系统误差。

本发明是这样实现的：

一种使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，该水汽拉曼系统包括：单色仪、激光器、激光雷达单元、传导光纤、信号采集单元、及步进马达，其特征在于，该水汽拉曼系统还包括定标样品单元，该激光器输出的光束可选择性的射入该定标样品单元或激光雷达单元，该传导光纤用于将该定标样品单元产生的第一拉曼光信号及该激光雷达单元产生的第二拉曼光信号传递给该单色仪，该信号采集单元与该单色仪电连接，用于对第一拉曼光信号或第二拉曼光信号的采集、模数转换、暂存等数据处理，该步进马达与该单色仪电连接，用于控制单色仪处于不同的中心波长。该激光器发出的光经过定标样品单元发生拉曼散射之后，光信号再经传导光纤传递给该单色仪，通过该步进马达的控制选择单色仪的中心波长，从而确定精确的波长，提高了水汽拉曼系统的精确度。

优选的是，该定标样品单元包括：氮气样品室、聚焦透镜、蒸馏水样品室及可对样品温度与压力进行调节的控制系统，该氮气样品室和该蒸馏水样品室为拉曼散射样品，具有造价低、应用普遍、容易得到等优点；该聚焦透镜用于聚集该激光器输出的光束，而产生高能量来产生水汽及提高其含量，极大地增强了水汽拉曼散射的信号强度，易于探测，提高了整体信噪比，方法简便易行；而该控制系统则用于保证拉曼散射过程中外部环境的稳定性。

为了能够使该激光器选择不同的对象输出光束，在该定标样品单元和该激光雷达单元的下方均增设至少一支架，该支架为可三维移动支架，支架的移动可带动该定标样品单元或激光雷达单元的移动，从而改变接收激光器发出的光束的对象。

优选的是，该水汽拉曼系统还包括计算机系统，该计算机系统与该支架电连接，该计算机系统还与该步进马达电连接，该计算机系统中安装有激光触发控制程序、光电倍增管电压控制程序、步进马达控制程序、三维移动支架控制程序及信号采集软件，以对整个单色仪定标过程的控制、数据储存和数据处理。

优选的是，该信号采集单元包括光电倍增管和信号瞬态记录仪，该光电倍增管与该单色仪电连接，而该信号瞬态记录仪与该计算机系统电连接，该光电倍增管用于将第一光信号、第二光信号转变为电信号，以便于该计算机系统进行处理。利用高灵敏度的该光电倍增管作为光电转换器件，精确测量各波长处的光谱强度，确保了单色仪定标的精确性。

该单色仪中包括有控制光栅或棱镜位置的转动轴，该转动轴与该步进马达连接，通过对该步进马达的控制改变光栅或棱镜的位置，以控制单色仪处于不同的中心波长，计算机系统控制步进马达实现单色仪光栅或棱镜的位置，更进一步的提高了定标的精确性。

为了光能够被该传导光纤进行传输，在该传导光纤的的两端分别设有一含有凸透镜的进光筒和出光筒。

本发明还提供了一种使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统的定标方法，其包括有：

(1).计算机系统控制支架移动，使定标样品单元与激光器的光束对准，并产生第一拉曼信号；

(2).传导光纤传导该第一拉曼信号给单色仪；

(3).计算机系统控制转动轴来改变单色仪中光栅或棱镜的位置，选择单色仪分出的单色光的中心波长；

(4).该信号采集单元记录该光信号转变成的电信号，并存储于计算机系统内。

本发明的有益效果为：

本发明的水汽拉曼系统在原水汽拉曼系统上增设定标样品单元，利用定标样品单元的已知的拉曼信号作为标准为单色仪进行定标，更巧妙的加入定标样品单元及可三维移动的支架，通过电脑的控制，移动三维支架使得探测重点在激光雷达单元和定标样品单元间自由转换，可在单色仪完成定标后直接开始进行大气探测，而无需对原系统做其它的改动，避免了系统元件的移动造成的误差，且增加了大气探测的精确性。

【附图说明】

图1：本发明使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统的示意图；

图2：定标样品单元的内部构成图；

图3：实验获得的水汽拉曼散射信号；

图4：理论计算得到的水汽拉曼散射系数随波长的分布；

图5：理论计算信号强度分布与实验采集到的拉曼信号的重合。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，该水汽拉曼系统包括：激光器1、定标样品单元2、激光雷达单元3、传导光纤5、单色仪6、信号采集单元80及步进马达7。

其中，该激光器1输出的光束可在该定标样品单元2和激光雷达单元3之间转换，该传导光纤5用于将该定标样品单元2产生的第一拉曼光信号或该激光雷达单元3接收到的第二拉曼光信号传递给该单色仪6，该信号采集单元80与该单色仪6电连接，用于对第一拉曼光信号或第二拉曼光信号的采集、模数转换、暂存等数据处理，该步进马达7与该单色仪6电连接，用于控制单色仪6处于不同的中心波长。该激光器1输出的光束先射入该定标样品单元2，通过定标样品单元2的拉曼反射产生的第一拉曼信号，再由传导光纤5传递给单色仪6，通过步进马达7的控制使单色仪6分出光而使单色仪处于不同的中心波长，对单色仪6进行定标。

如图2所示，该定标样品单元2包括：氮气样品室11、聚焦透镜12、及蒸馏水样品室13，还包括可对样品温度与压力进行调节的控制系统(图未示)，该氮气样品室11和该蒸馏水样品室13为已知拉曼信号的标准样品，该聚焦透镜12能够聚焦激光器1发出的光束，产生更高的能量。该激光器1输出的光束射入该定标样品单元2后，通过该氮气样品室11使其内的氮气产生拉曼散射，再经过聚焦透镜12，使能量更聚集，使光束通过该该蒸馏水样品室13的中心，部分液态水蒸发转化为水汽同时使之产生拉曼散射。样品室11及13中产生的拉曼散射即为第一拉曼光信号。

优选的是，该定标样品单元2和该激光雷达单元3的下方分别增设有支架4、14，该定标样品单元2和该激光雷达单元3分别固定于支架4、14上。该支架4、14为可三维移动支架，其可带动该定标样品单元2和该激光雷达单元3移动。

继续参见图1，该水汽拉曼系统还包括计算机系统10，其与该支架4、14电连接，用于控制该支架4、14的移动方向，该计算机系统10还与该步进马达7电连接，以控制步进马达7的转动。该单色仪6具有控制或棱镜的转动轴61，该转动轴61与该步进马达7连接，而计算机系统10控制该步进马达7，以达到控制该该转动轴61，进而改变单色仪6的光栅或棱镜的位置，以控制单色仪6处于不同的中心波长，来对单色仪6进行定标。

该信号采集单元80包括光电倍增管8和信号瞬态记录仪9，该光电倍增管8与该单色仪6电连接，该信号瞬记录仪9与该计算机系统10电连接，该光电倍增管8和该信号瞬态记录仪9之间通过光纤15电连接。其中，该光电倍增管8的工作电压可选择在0-850v之间，而该信号瞬态记录仪9有模拟计数和光电计数两种信号记录方式，其分别记录较强的信号和较弱的信号。

在本发明中，优选在该计算机系统10中安装有激光触发控制程序、光电倍增管电压控制程序、步进马达控制程序、三维移动支架控制程序及信号采集软件，以对该激光器1、信号采集单元80、步进马达7及支架4、14进行控制，从而提高单色仪定标及大气探测的精确度。

为了该激光雷达单元3能够探测大气参数，该激光雷达单元3还包括激光扩束装置和回波信号接收装置，此部分结构已属于现有技术，本发明在此不再赘述。

优选的是，该传导光纤5的两端分别设有一含凸透镜的进光筒51和出光筒52，进光筒51用于收集光信号，而出光筒52则固定于该单色仪6的入光缝，使采集到的拉曼散射光信号进入单色仪6进行分光。该定标样品单元2和该激光雷达单元3产生的第一拉曼光信号或第二拉曼光信号通过该进光筒51收集，经该传导光纤5传输，再经该出光筒52输出。

在本实施例中，激光器1优选为Nd:YAG固体激光器，其脉冲能量为100～300mJ，重复频率为10～50Hz。步进马达7的精度为400步/转，每转对应单色仪6中心波长变化25nm，即步进马达每前进一步，在其控制下，单色仪的中心波长相应增加0.0625nm，实际应用中可根据所需的测量精度采用不同步数的步进马达。

在进行大气探测时，首先要对单色仪6进行定标。计算机系统10控制支架4、14移动，使定标样品单元2与激光器1对准。激光器1发出三倍频(355nm)激光束进入定标样品单元2之后，首先通过标准氮气样品室11，使其内的氮气产生拉曼散射，从标准氮气样品室11出射的激光经凸透镜12聚焦于蒸馏水样品室13的中心，使部分液态水蒸发转化为水汽同时使之产生拉曼散射。标准氮气样品室11和蒸馏水样品室13均有恒温恒压控制，以保证拉曼散射过程环境的稳定，其中产生的拉曼散射拉曼第一光信号由传导光纤5的进光筒51收集，经传导光纤5传输，再通过该出光筒52输出。进入该单色仪6，经该单色仪6分光处理，通过计算机系统10对步进马达7的控制，改变单色仪6中光栅或棱镜的位置，从而自由选择单色仪分出的单色光的中心波长。单色仪6分出的光经出光缝直接进入光电倍增管8，将该光信号转变为电信号。转换后的电信号由光纤15导入信号瞬态记录仪9，该信号瞬态记录仪9用以完成对光电转换后的电信号的采集、模数转换、暂存等数据处理工作；步进马达7同信号瞬态记录仪9均由计算机系统10中的程序控制，激光器1发射激光的频率亦可由计算机的内置程序改变，使之与采集信号的频率一致，减小误差。单色仪定标工作完成后，计算机系统10再控制可三维移动的支架4、14移动，移开定标样品单元2，将激光雷达单元3的出光处对准传导光纤5的入光端，开始大气探测工作。整个过程无系统其他元件的改动，在保证了原有的大气探测工作不受影响的条件下，减小了系统因单色仪波长不准确所带来的误差。

图3为采集到的水汽的拉曼散射信号，该信号已进行去噪处理。由于单色仪6出射实际波长和视数波长的不统一，该信号位置的视数波长并未处于水汽拉曼信号的标准波长该有的位置。图4给出了由355nm激光激发的水汽拉曼信号的散射系数随波长的分布，该理论结果公开在Journal of MolecularSpectroscopy期刊1999年196卷第77-92页上，论文题目为“OH拉伸区域中水汽的转动振动拉曼截面”(Ro-vibrational Raman Cross Sections of WaterVapor in the OH Stretching Region)，作者是G.Avila等，文中给出了计算水汽拉曼散射截面的相关理论及分子常数。将利用该理论所得的结果与单色仪6传递函数卷积可得到实际应该输出的信号波形如图5曲线2所示，该曲线所示的强度已经进行归一化处理，此即为理论上应采集到的水汽拉曼信号的分布，将图3实验采集到的水汽拉曼信号分布进行归一化处理后平移，使之处于与图5曲线2吻合最佳的位置，如图5所示，此时图中的曲线1就是图3中的实验采集到的经归一化处理后的水汽拉曼散射信号。由图5可看出，此时理论计算得到的水汽拉曼散射信号与实验采集到的信号很好地重叠，由这种重叠的最佳状态时即可知道单色仪实际输出波长与视数波长的差值，在实验中只需将其减去即可降低系统误差。为求精确，氮气在387nm处的拉曼信号亦可作为参考，实验时可令步进马达7在氮气和水汽拉曼散射信号波长间范围多扫描几次，以消减偶然误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims (11)

1.一种使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，该水汽拉曼系统包括：单色仪、激光器、激光雷达单元、传导光纤、信号采集单元、及步进马达，其特征在于，该水汽拉曼系统还包括定标样品单元，该激光器输出的光束可选择性的射入该定标样品单元或激光雷达单元，该传导光纤用于将该定标样品单元产生的第一拉曼光信号或该激光雷达单元产生的第二拉曼光信号传递给该单色仪，该信号采集单元与该单色仪电连接，用于对第一拉曼光信号或第二拉曼光信号的采集、模数转换、暂存数据处理，该步进马达与该单色仪电连接，用于控制单色仪处于不同的中心波长。

2.如权利要求1所述的使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其特征在于，该定标样品单元包括：氮气样品室、聚焦透镜、蒸馏水样品室及可对样品温度与压力进行调节的控制系统，其中，该氮气样品室和该蒸馏水样品室为拉曼散射的标准样品，该聚焦透镜用于聚集该激光器输出的光束。

3.如权利要求1所述的使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其特征在于，该激光雷达单元包括激光扩束装置及回波信号接收装置。

4.如权利要求1所述的使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其特征在于，该定标样品单元和该激光雷达单元下方均增设至少一支架，该定标样品单元和该激光雷达单元固定于该支架上。

5.如权利要求4所述的使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其特征在于，该支架为可三维移动支架。

6.如权利要求4所述的使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其特征在于，该水汽拉曼系统还包括计算机系统，该计算机系统与该支架电连接，用于控制该支架的移动方向，该计算机系统还与该步进马达电连接，用于控制该步进马达的移动。

7.如权利要求6所述的使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其特征在于，该信号采集单元包括光电倍增管和信号瞬态记录仪，该光电倍增管与该单色仪电连接，而该信号瞬态记录仪与该计算机系统电连接。

8.如权利要求1所述的使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其特征在于，该单色仪具有控制光栅或棱镜位置的转动轴，该转动轴与该步进马达连接，通过对该步进马达的控制改变光栅或棱镜的位置，以控制单色仪处于不同的中心波长。

9.如权利要求1所述的使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其特征在于，该传导光纤的的两端分别设有含有凸透镜的进光筒和出光筒。

10.如权利要求6所述的使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统，其特征在于，该计算机系统中安装有激光触发控制程序、光电倍增管电压控制程序、步进马达控制程序、三维移动支架控制程序及信号采集软件。

11.一种使用单色仪分光的高精度的水汽拉曼系统的定标方法，其包括有：(1).计算机系统控制支架移动，使定标样品单元与激光器的光束对准，并产生第一拉曼信号；

(2).传导光纤传导该第一拉曼信号给单色仪；

(3).计算机系统控制转动轴来改变单色仪中光栅或棱镜的位置，选择单色仪分出的单色光的中心波长；

(4).信号采集单元记录光信号转变成的电信号，并存储于计算机系统内。

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