激光環境散射率測量裝置的設計

高愛華， 彭東東， 閆麗榮

(西安工業大學 陜西省薄膜技術與光學檢測重點實驗室,光電工程學院，西安 710021)

激光環境散射率測量裝置的設計

高愛華， 彭東東， 閆麗榮

(西安工業大學 陜西省薄膜技術與光學檢測重點實驗室,光電工程學院，西安 710021)

設計了一種大氣環境散射率測量裝置，用于測量普通大氣環境中粒子對激光散射率，用以反映測量環境對光束的散射程度，進而評估測量環境能否滿足散射測量。該裝置以穩功率激光器為光源，讓光束穿過積分球空腔，使空腔內的粒子在空腔內發生散射，從而散射光都被積分球所收集，再使用光電倍增管測量積分球收集的散射光強，并采用相關檢查方法進行信號處理，有效去除背景噪聲。在實驗室環境進行了測量，結果表明，測量精度最高可達0.1×10-6，裝置誤差達到±2%，實現了散射率的高精度測量。

散射率； 粒子； 積分球； 相關檢測

0 引 言

近年來,隨著制造工藝的進步，光學產品的質量越來越高，對產品的檢測技術提出了越來越高的要求，普通檢測環境中存在大量灰塵顆粒物，對光學器件的光學特性檢測造成巨大干擾。

激光在大氣介質中傳播時，大氣中的粒子會對激光光束造成一定的散射，在粒子濃度較低時只考慮單次散射現象[1]，且在一般環境下不考慮其粒子自身的吸收作用[2-3]，散射光強輻射到各個方向。想要測量粒子的散射率就必須盡可能多地收集這些散射能量，這對收集和測量裝置提出了比較高的要求。因此，目前還少有主要針對粒子散射率的測量裝置。

目前散射測量主要包括粒子粒徑和濃度的測量。一般粒子可看作發生Mie散射的球形粒子，根據經典的Mie散射理論，粒子半徑與其散射光光強及其分布有著密切的關系[4-5]。應用這一理論，發明了眾多測量方法，例如依照測定不同方向上的光強分布的小角前向散射法、角散射法等，基于Beer-Lambert定律的全散射法[6-7]。這些方法主要用于測量粒徑的分布情況，且測量時對樣品的粒徑分布要求比較嚴格，測量條件苛刻、計算復雜。

粒子濃度的測量主要依靠粒子遮擋探測區域內的光場，使光強發生變化，經探測器測量后記錄粒子數。測量時必須使粒子均勻地穿過探測區，否則將導致濃度測量不準確，所以該類探測裝置都要配備氣流裝置[7]。粒子濃度高時，顆粒會因為多重散射、聚集效應等原因造成檢測不準確[8]；粒子濃度過低時，將無法檢測。

針對粒子散射對微弱光信號測量的干擾過程分析，粒徑、顆粒濃度的測量都不能直接評估粒子對測量的影響程度，并且相關的測量較為復雜。為了更好地評估測量環境，設計了一種激光環境散射率測量裝置，通過利用積分球收集、測量粒子散射光強，同時采用相關檢測技術，降低探測器、檢測電路、背景光等噪聲干擾，較為準確地測量出環境散射率，能很好地對所測量環境進行散射評估。

1 激光環境散射率測量

1.1 基本原理

激光光束照射在粒子表面，由于其表面的散射作用，使部分光束發生散射，散射率P為：

(1)

式中：Ι為散射光強；Ι0為入射光強。在測量中，只要測得初始光強I0及經粒子散射的散射光強I，兩者之比就是所要求得的環境散射率。

1.2 測量方法

經粒子散射后的散射光輻射到空間中各個方向上，由于積分球的特殊結構，其為開有小孔的空心球體，內壁涂有氧化鎂、硫酸鋇等漫反射系數接近1的漫反射材料[9]。光射入積分球后，在積分球內壁發射多次漫反射，最終在球內形成均勻照度[10]，只要測量特定大小開口處輻照強度，就可以計算出總的光強。因此，將散射區域放在積分球內部，可以近乎完整地收集散射光輻射，并且避免雜散光造成的干擾，從而保證散射光功率的準確測量，其散射過程如圖1所示。

圖1 散射測量積分球內光路圖

激光光束經粒子散射后的光強非常微弱，并且經過積分球內漫反射后形成的均勻照度場的能量將會比之散射光強更加微弱。因為需要對測量信號進行放大處理，所測量的散射信號非常微弱，所以使用靈敏度較高的光電倍增管作為探測器[11]。由于探測器、檢測電路、背景光等噪聲干擾，如果不進行去噪處理或應用傳統的濾波將無法得到較高的信噪比，故測量這一信號難度非常之大。本裝置設計中采用鎖相放大器的相關檢測技術，利用了參考信號與被測信號具有相同頻率，相同相位的關系，能夠只對被測信號中的某一部分有響應，大大提高了信噪比[12-13]，從而能在比有用信號強千倍的噪聲中將有用信號提取出來，因此有較大噪聲干擾時仍能測量準確。

對于初始光功率測量，本裝置采用與散射功率測量不同步進行。在測量初始光強即入射光功率時先對其進行衰減，依靠漫反射材料封堵出射小孔，將總的入射光束完全散射在積分球內部，從而測得入射光功率，測量如圖2所示。這樣測量的主要優點在于減少了探測器件的使用，使用相同的探測器件來進行測量，避免因為需要對初始光功率的測量而進行額外的探測器件及電路設計。積分球內部由于漫反射材料的漫反射系數不完全等于1，而積分球由于長期使用而表面積累積灰塵也會造成表面散射系數的下降，這些都會導致測量的功率小于實際值；而如果單獨測量入射光功率，從而造成散射光功率測量相較于入射光功率測量偏小，相應的散射率將偏小。如果初始光功率測量時也采用該探測系統進行測量，將無形中對結果進行了補償，從而減小這一誤差。

圖2 入射光強測量積分球內光路圖

2 測量裝置結構圖

環境散射率測量裝置如圖3所示，圖中，激光器發出激光光束，由于采用相關檢測技術，因此使用斬波器對光源進行調制，斬波片以恒定速度轉動，激光光束透過斬波片槽口形成光脈沖[14]。光脈沖經衰減片衰減，在對初始光功率測量時，如果不對光束進行衰減處理，進入積分球的光功率將超過光電倍增管的測量上限從而會損壞器件，所以在初始光強測量時使用衰減片對光強進行衰減。本裝置可使用2片衰減片進行衰減，使光功率衰減為原來的0.01%～1.00%。光束經開孔進入積分球內，此時積分球由于開孔的存在，使得大氣能夠流通，從而使積分球內外環境相同，隨著光束的射入，積分球內的空腔與光束形成一個散射場，粒子的散射光射向積分球內壁，形成均勻的照度場，未發生散射的光線將直接經由開孔射出積分球。射出積分球的光束要進行吸收處理以免反射回積分球內對測量造成干擾，用反射鏡將出射光束反射后進入光陷阱，這樣當光陷阱不能完全吸收光束時就不會進入積分球內。

圖3 裝置結構圖

散射光強在積分球內形成均勻的照度場，經開口進入光電倍增管的光敏面，光強經光電倍增管線性放大后輸出電壓信號[15]。將電壓信號輸入鎖相放大器，鎖相放大器同時接受來自斬波器輸出的與光脈沖同頻同相位的TTL脈沖信號。2個信號在鎖相放大器電路中進行相關檢測運算，最終輸出去除噪聲后的直流電壓信號[16]，經數據采集單元進行數據采集，將模擬信號轉換為數字量送入計算機中進行顯示。

3 實驗結果

搭建實驗裝置，由于2次光功率測量不是同步進行，所以選用高穩定功率的氦氖激光器作為激光光源，其功率波動在±0.2%以內。計算顯示界面由LabVIEW進行編寫。

圖4是基于LabVIEW環境的實時測量界面，其中兩波形圖分別顯示了信號電壓波形圖和放大后的波形圖?？v坐標為電壓值；橫坐標為采樣時間點。

圖4 LabVIEW實時測量界面

本實驗采用He-Ne激光器，波長為632.8 nm，功率為1 mW，功率波動在±0.2%以內。調節機械斬波器將激光器光束調制為頻率300 Hz，占空比為50%的光脈沖。測量選擇在普通實驗室下進行測量。

3.1 入射光功率測量

入射光功率測量時，選用0.01%的衰減片進行衰減，將衰減后的光束完全射入積分球，并將光束完全散射在積分球內，實時測量結果如圖5所示。

圖5 入射光功率測量實時波形圖

在同一時間內，當裝置測量穩定后讀取測量數據，并進行適當的軟件濾波處理，測量數據如表1所示。

表1 入射光功率測量

3.2 散射光功率測量

散射率測量時，不使用衰減片，光束進入積分球與粒子發生散射作用，散射光在積分球內發射漫反射，形成穩定輻射場。未發生散射的光束經反射鏡反射后進入陷光器。實時測量結果如圖6所示,測量數據如表2所示。

圖6 散射光功率測量實時波形圖

3.3 散射率計算

由實驗數據可知，其測量主要為電壓值，為了得到散射率， 假設測量時光電倍增管(PMT)的靈敏度為S，增益為G，入射光線總光強為I0，衰減片透過率為T，空間微粒散射率為SC，對應的PMT的輸出電壓為U。設U1為總入射光功率對應的電壓值；U2為散射功率對應的電壓值[17]，可得：

(2)

(3)

由式(2)、(3)可得散射率SC=U2/U1×T。對測量據進行計算得到散射率。

在對表1、表2計算后可得表3,表示在最大最入射小功率值下的散射率。

表3 散射率計算

3.4 誤差分析

本裝置主要誤差來源為激光器。由于使用了功率穩定度較高的氦氖激光光源，測量初始光強及散射光強時雖然2個物理量不是同時測量，但是,由于激光器功率波動非常小(±0.2%以內)，所以2次數據測量時功率波動影響可以忽略不計。

4 結 語

本實驗裝置能夠很好地對普通環境下大氣散射率進行測量，測量精度較高、結果可靠。利用相關檢測技術很好的將信號從強背景噪聲中提取出來，實現了散射率的較精確測量。通過搭建實驗裝置測量表明：該測量裝置在同一環境下多次測量，其散射率為：(7.73～7.89)×10-6，表明裝置具有較高測量精度。

本實驗裝置可以廣泛應用于實驗室環境中的環境散射率測量，并通過散射率的大小對相關光學檢測試驗進行測量環境可靠性評估。

[1] 熊興隆, 劉春媛, 蔣立輝,等. 多次散射影響下激光大氣透射儀測量誤差研究[J]. 光電子·激光, 2015(10):2037-2044.

[2] 林 勇, 徐智勇, 汪井源,等. 霧環境下非視距大氣散射傳輸特性研究[J]. 光學學報, 2013, 33(9):1-5.

[3] 王 瑞. 激光在霧媒質中的傳播衰減特性研究[D]. 西安:西安電子科技大學, 2007.

[4] 張 偉, 路 遠, 杜石明,等. 球形粒子Mie散射特性分析[J]. 光學技術, 2010,36(6):936-939.

[5] 吳良海, 高 雋, 范之國,等. 大氣粒子散射特性及其對空間偏振分布的影響[J]. 光學學報, 2011, 31(7):27-33.

[6] 陳庭將. 光散射法在顆粒測量技術中的應用[D]. 西安:西安電子科技大學, 2011.

[7] 李 昆, 鐘 磊, 張洪泉. 煙塵濃度測量方法綜述[J]. 傳感器與微系統, 2013, 32(2):8-11.

[8] 葉 超, 孟 睿, 葛寶臻. 基于光散射的粒子測量方法綜述[J]. 激光與紅外, 2015, 45(4):343-348.

[9] 胡子臣. 積分球的涂層研究[J]. 紅外與激光工程, 1985(4):39-42.

[10] 赫英威, 李 平, 吳厚平,等. 積分球輻射光源照度均勻性研究[J]. 應用光學, 2012, 33(3):548-553.

[11] 郭從良, 孫金軍, 方容川,等. 光電倍增管的噪聲分析和建模[J]. 光學技術, 2003, 29(5):636-640.

[12] 高愛華, 孫金榮, 秦文罡. 微弱激光信號的數字相關檢測技術[J]. 西安工業大學學報, 2010, 30(1):5-8.

[13] 施風榮. 鎖相放大器的設計[J]. 湖南工業職業技術學院學報, 2007, 7(3):5-7.

[14] 林 鑫, 楊 勇, 程學武,等. 機械斬波在大氣探測激光雷達中的應用[J]. 中國激光, 2013, 40(8):217-222.

[15] 王?？? 呂云鵬. 光電倍增管特性及應用[J]. 儀器儀表與分析監測, 2005(1):1-4.

[16] 宋 楠, 隋 越, 董 明,等. 基于虛擬鎖相放大器的中紅外CO檢測系統[J]. 光電子·激光, 2014(12):2343-2349.

[17] 閆麗榮. 低損耗光學元件散射特性測試技術研究[D]. 西安:西安工業大學, 2012.

Design of Measuring Device for Laser Environment Scattering Rate

GAOAihua，PENGDongdong，YANLirong

(Laboratory for Thin Film Techniques and Optical Test, School of Optoelectronics Engineering，Xi’an Technological University； Xi’an 710021， China)

In some high precision optical measurement, the scattering particles in the normal atmospheric environment will produce interference on the measurement results. Particularly, if the signal is very weak, the impact will not be ignored, such as the detection of ultra smooth optical surface, high reflecting mirror scattering rate, etc. we need to consider the environmental impact on the measurement results. To solve the problem, an atmospheric scattering rate measuring device is introduced for measuring the ordinary particles in the atmospheric environment on the laser scattering rate. The device can reflect the degree of light scattering measurement environment, and then assess whether the environment can meet the scattering measurement. The device takes a stable power laser as the light source, the light beam passes through the integrating sphere cavity, so the particles in the cavity are scattered, the scattered light is collected by the integrating sphere, and then the scattered light intensity of the integrating sphere is measured by the photoelectric multiplier tube. The signal processing is performed by the correlation detection method which can effectively remove the background noise. In the laboratory environment, the measurement accuracy is up to 0.1×10-6, the device error can reach ±2%, and the high precision measurement of scattering rate is achieved.

scattering rate； particles； integrating sphere; correlation detection

2016-10-18

陜西省工業科技攻關項目(2015GY048)；總裝基金項目(9140A18020214BQ52001)

高愛華(1967-)，女，湖北孝感人，教授，碩士生導師，主要研究方向為光電測試技術、信號處理研究。

Tel：13991867012; E-mail: freegah@126.com

N 32

A

1006-7167(2017)06-0058-04