雷电高速光度计

摘要

本发明涉及气象检测技术领域，尤其涉及一种雷电高速光度计。该雷电高速光度计包括光学成像单元、多通道光纤束传输单元、光电转换单元及多通道信息记录单元；多通道光纤束传输单元与光学成像单元的焦平面连接，将光学成像单元采集的雷电通道光信息快速转换为电信号，然后该电信号传输至多通道信息记录单元，由多通道信息记录单元进行采样记录，从而可得到雷电通道的光强和光强变化信息，进而可得到更高时间分辨率的雷电通道发展过程光学信息，且本发明结构简单紧凑，探测效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及气象检测技术领域，尤其涉及一种雷电高速光度计。

背景技术

雷电是自然界中大气的放电现象，对雷电进行监测，提供雷电灾 害预警信息，对雷电灾害的防护具有重要意义。众所周知，雷电放电 的先导过程的发展速度为1×10⁶m/s量级，而回击过程的发展速度达到 1×10⁸m/s量级，针对雷电放电通道发展过程的进行有效的光学观测并 非易事，以往都是采用高速CCD或CMOS（互补金属氧化物半导体）传 感器构成的高速相机进行雷电的观测，但受到CCD和CMOS器件固有的 积分时间和读出速度限制，雷电，传统的高速相机无法获得高时间分 辨率的雷电放电通道发展过程光学观测资料，从而无法有效监测雷电。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种雷电高速光度计。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种能有效检测雷电通道的雷电高速光度计 以提供更高时间分辨率的雷电通道发展过程的光学观测资料。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种雷电高速光度计，其 包括光学成像单元、多通道光纤束传输单元、光电转换单元及多通道 信息记录单元；所述光学成像单元用于采集雷电通道的光信号；所述 多通道光纤束传输单元的一端连接到光学成像单元的焦平面上，另一 端连接到光电转换单元上，用于将光学成像单元采集的光信号传递至 光电转换单元；所述光电转换单元用于将光信号快速转换为电信号； 所述多通道信息记录单元与所述光电转换单元连接，用于接收光电转 换单元传来的电信号并记录雷电通道的光强和光强变化信息。

其中，所述光学成像单元为单镜头反光式光学照相机；所述多通 道光纤束传输单元包括多根光纤束，多根光纤束均连接到单镜头反光 式光学照相机的焦平面上，多根光纤束的连接端在单镜头反光式光学 照相机的焦平面上形成阵列排布。

其中，所述光电转换单元包括多个雪崩光电二极管,每个雪崩光电 二极管与相应的多通道光纤束传输单元的每根光纤束连接。

其中，所述每个雪崩光电二极管与相应的一根光纤束通过一耦合 器连接。

其中，所述多通道信息记录单元为高速多通道采集记录仪。

其中，所述高速多通道采集记录仪具有与所述雪崩光电二极管数 目相同的模拟采集通道，每个模拟采集通道与相应的一个雪崩光电二 极管连接。

其中，所述多通道采集记录仪的每个模拟采集通道的采样频率大 于等于光电转换单元的截止频率上限的2倍。

（三）有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的雷电高速光 度计中，多通道光纤束传输单元与光学成像单元的焦平面连接，将光 学成像单元采集的雷电通道光信息快速转换为电信号，然后该电信号 传输至多通道信息记录单元，由多通道信息记录单元进行采样记录， 从而可得到雷电通道的光强和光强变化信息，进而可得到更高时间分 辨率的雷电通道发展过程光学信息，且本发明结构简单紧凑，探测效 率高。

附图说明

图1是本发明实施例雷电高速光度计的连接关系示意图；

图2是本发明实施例雷电高速光度计中光学成像单元焦平面与光 纤束连接方式示意图；

图3是本发明实施例雷电高速光度计中光学成像单元焦平面上多 根光纤束连接端的排布示意图。

图中，1：单镜头反光式光学照相机；2：焦平面；3：光纤束；4： 耦合器；5：雪崩光电二极管；6：高速多通道采集记录仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描 述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的雷电高速光度计包括光学成像 单元、多通道光纤束传输单元、光电转换单元及多通道信息记录单元； 光学成像单元为单镜头反光式光学照相机1，用于采集雷电通道的光信 号；多通道光纤束传输单元的一端连接到单镜头反光式光学照相机1 的焦平面2上，另一端连接到光电转换单元上，用于将单镜头反光式 光学照相机1采集的光信号传递至光电转换单元，具体地，多通道光 纤束传输单元包括多根光纤束3；光电转换单元包括多个雪崩光电二极 管5,每个雪崩光电二极管5与相应的多通道光纤束传输单元的每根光 纤束3连接，用于将光信号快速转换为电信号；多通道信息记录单元 与光电转换单元连接，用于接收光电转换单元传来的电信号并记录雷 电通道的光强和光强变化信息，多通道信息记录单元为高速多通道采 集记录仪6。

上述技术方案中，单镜头反光式光学照相机1用于采集雷电通道 的光学信息，单镜头反光式光学照相机1的焦平面2与雪崩光电二极 管5通过多根光纤束3连接，从而单镜头反光式光学照相机1采集到 的光信号传输至雪崩光电二极管5上，雪崩光电二极管5将光信号转 换为电信号，进而将该电信号传输至高速多通道采集记录仪6，高速多 通道采集记录仪6进而将电信号进行记录，最终快速地获取了每个通 道的光纤束3所对应的雷电图像光强和光强变化信息。

具体地，如图2所示，单镜头反光式光学照相机1的焦平面2处 成像区域大小为36mm（L）×24mm（H），多根光纤束3均连接到单镜 头反光式光学照相机1的焦平面2上，多根光纤束3的连接端在单镜 头反光式光学照相机1的焦平面2上形成阵列排布，单镜头反光式光 学照相机1将雷电通道光信号成像在焦平面2上，多通道光纤束传输 单元的每束光纤束3由许多细光纤组成，光学成像单元的成像视场被 光纤束3分隔为相互独立的探测通道，每根光纤束3为一个探测通道。 光纤束3在焦平面2上根据需要排列为m行n列，也可以排列为1行 n列或m行1列，每根光纤束3的细光纤一端紧密排列为特定形状， 垂直安装于焦平面2上，每一个探测通道也可以根据需要在特定区域 增加或减少细光纤，各光纤束3间可紧密排列，也可间隔排列，每根 光纤束3的另一端聚集为一束。

进一步地，如图3所示，16行光纤束3自上而下依次排列，形成 16个探测通道，细光纤垂直安装在焦平面2上，通道ch1～ch8的光纤 束3在焦平面2上安装的中心间距为0.4mm，可提供高空间分辨率， 针对发生在雷电通道底部的连接过程进行探测；通道ch9～ch16的光 纤束3在焦平面2上安装的中心间距为1.5mm，提供大空间间隔，针 对雷电的先导和回击过程进行探测。

优选地，由于雪崩光电二极管5体积较大，雪崩光电二极管5的 探测区域不能较好地直接组合在一起，因此，本发明采用将光纤束3 通过耦合器4与光电传感器连接。具体地，每个雪崩光电二极管5与 相应的每根光纤束3通过一个耦合器4连接，耦合器4由光学镜片组 成，耦合器4的入射端连接光纤束3，出射端连接光电传感器，耦合器 4入射端和出射端可以是不同直径，用于不同直径器件的连接，一般地， 耦合器4将直径为3mm的光纤束3中的光耦合在直径为1mm的雪崩 光电二极管5的有效探测区域上。雷电的光学通道成像在焦平面2上， 通过光纤束3经耦合器4传输至光电传感器，每个光电传感器对应一 根光纤束3，光电传感器由m×n个雪崩光电二极管5组成阵列，雪崩 光电二极管5带宽截止频率上限不少于10MHz，且不仅限于10MHz， 雪崩光电二极管5带宽截止频率的下限可以为DC，即雪崩光电二极管 5带宽截止频率的下限可以为0Hz，但不仅限于0Hz。所采用的雪崩光 电二极管5可以根据需要，针对不同的光纤束3通道选取不同带宽的 型号，不仅限于同一种型号。

具体地，多个雪崩光电二极管5组成阵列，通道ch1～ch7和通道 ch16对应的雪崩光电二极管5型号为C5331，带宽为4k～100MHz， 该型号雪崩光电二极管5具有高响应速度，配合光纤束3紧密排列的 安装方式，具有高时空精度的探测的能力，主要针对雷电在近地面发 生的连接过程进行探测以及发展速度较快的回击过程进行探测，其中， 通道ch1～ch7间通道紧密排列，采用50mm焦距的光学成像单元对应 1km处发生的雷电，每通道垂直探测间隔为4.4m，通道ch1和ch16的 间隔可达到14.8mm，采用50mm焦距的光学成像单元1对应1km处 发生的雷电，垂直探测间隔为296m。通道ch8至ch15对应的雪崩光 电二极管5型号为C5460，带宽为DC～10MHz，配合光纤束3安装的 大间隔，得到大的空间探测范围，主要针对雷电发生过程的先导过程 进行探测，采用50mm焦距的光学成像单元1对应1km处发生的雷电， 垂直探测间隔为30m。更换不同焦距的镜头可用得到不同距离或不同 高度雷电的像场。通过光电传感器可将光强信息快速地转换为电压信 号，然后输出至高速多通道采集记录仪6，最终由高速多通道采集记录 仪6采集记录。

进一步地，高速多通道采集记录仪6具有与雪崩光电二极管5数 目相同的模拟采集通道，每个模拟采集通道与相应的一个雪崩光电二 极管5连接。高速多通道采集记录仪6采用的型号为DL850，可实现8 个模拟采集通道100MHz和8个模拟采集通道10MHz采样率的同时采 集记录。C5460对应的模拟采样通道采样率为10MHz，C5331对应的 模拟采样通道的采样率为100MHz。一般地，多通道采集记录仪的每个 模拟采集通道的采样频率大于等于每个雪崩光电二极管的截止频率上 限的2倍，具体地，模拟采样通道的采样率不小于10MHz，对应的时 间分辨率为100ns，多通道采集记录仪记录的时间长度为1s，多通道采 集记录仪的记录时间长度通常大于等于500ms。高速多通道采集记录 仪6最终记录到的数据，即为每束光纤束3探测到的雷电通道光强或 光强变化信息。

本发明用于探测已知水平距离的雷电通道，采用多个雪崩光电二 极管5，探测不同水平高度的雷电通道光强信息，通过计算即可得出雷 电通道垂直方向的二维发展速度。具体地，在距离雷电通道底部为1km 情况时，雷电高速光度计针对雷电通道垂直发展的最高速度分辨率为 2.96×10⁸m/s，满足针对雷电回击速度探测的需要；针对近地面的雷电 通道连接过程，雷电高速光度计的垂直空间分辨率为8m，这样可以满 足获得雷电通道发展过程光学信息的要求。

综上所述，本发明是实施例提供的雷电高速光度计将雪崩光电二 极管5通过多通道光纤束传输单元与单镜头反光式光学照相机1的焦 平面2连接，将单镜头反光式光学照相机1采集的雷电通道光信息快 速转换为电信号，然后电信号通过高速多通道采集记录仪6的多个模 拟采样通道，由高速多通道采集记录仪6进行采样记录，从而可得到 雷电通道的光强和光强变化信息，进而可得到更高时间分辨率的雷电 通道发展过程光学信息，且本发明结构简单紧凑，探测效率高。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出 若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。