一种用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统
阅读说明：本技术 一种用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统 (Front scanning mirror system for measuring high-rise atmospheric wind field of foundation ) 是由 李勇 郝雄波 冯玉涛 畅晨光 赵珩翔 傅頔 孙剑 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统,主要针对现有地基高层大气风场测量前置扫描镜结构复杂、扫描运动范围大、重量大、难以进行防水密封来适应室外测量等缺陷。该前置扫描镜系统包括反射镜、一维直线位移平台、回转平台、转动保护罩和回转保护罩；回转平台通过一维直线位移平台带动反射镜实现沿主光路轴向的旋转,回转保护罩用于保护回转平台及主光路环境不受外部环境污染；转动保护罩包括保护罩本体、天顶保护窗、侧边保护窗,保护罩本体设置在回转平台上,侧边保护窗设置在反射镜的反射光路上,侧边保护窗收集的光信号通过反射镜反射至主光路,主光路将收集的光信号传输至地基高层大气风场测量系统。(The invention provides a preposed scanning mirror system for measuring a foundation high-rise atmospheric wind field, which mainly aims at the defects that the preposed scanning mirror for measuring the foundation high-rise atmospheric wind field has a complex structure, a large scanning movement range and a large weight, is difficult to carry out waterproof sealing to adapt to outdoor measurement and the like. The preposed scanning mirror system comprises a reflecting mirror, a one-dimensional linear displacement platform, a rotary protective cover and a rotary protective cover; the rotary platform drives the reflector to rotate along the axial direction of the main light path through the one-dimensional linear displacement platform, and the rotary protective cover is used for protecting the rotary platform and the environment of the main light path from being polluted by the external environment; the rotary protection cover comprises a protection cover body, a zenith protection window and a side protection window, the protection cover body is arranged on the rotary platform, the side protection window is arranged on a reflection light path of the reflector, an optical signal collected by the side protection window is reflected to a main optical path through the reflector, and the main optical path transmits the collected optical signal to the ground high-rise atmospheric wind field measurement system.)
技术领域
本发明属于风场测量设备领域，具体涉及一种用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统。
背景技术
地基干涉仪测量中高层大气风场的原理为：通过观测中高层大气成分发射光谱谱线，利用多普勒频移反演大气的运动速度信息。地球大气成分直接或间接吸收太阳电磁辐射能量后被激发到较高的能级，从较高的能级跃迁到较低能级时释放出一定频率的光子，从而形成的微弱光辐射，不同的能级跃迁对应着不同波长的光谱谱线。当这些大气成分随着大气运动时，相对地基测风干涉仪而言，气辉光谱将会产生频移。根据多普勒效应可知，当发射物体向着观测方向运动时，观测到的谱线中心频率将向短波方向移动；当背离观测方向运动时，观测的谱线中心频率将向长波方向移动。多普勒频移量取决于谱线的本征频率σ0和发射源运动速度v，如公式(1)所示，Δσ为多普勒频移量，σ0为速度v＝0m/s时气辉谱线的本征频率，c为光速。
Δσ＝σ0·v/c (1)
用于大气风场探测的多普勒差分干涉光谱仪主要是通过探测干涉条纹相位变化反演大气风速信息，Doppler asymmetric spatial heterodyne spectroscopy(DASH):concept and experimental demonstration.APPLIED OPTICS Vol.46,No.29,pp7297,2007.中已公开干涉曲线理论表达式：
其中，I(x)为干涉图强度，B(σ)为光谱强度，σ0为风速为0时的本征波数，σL为Littrow波数，θL为Littrow角，x为探测器对应位置，Δd为干涉仪非对称量；当入射谱线由于风速v引入Doppler频移时，谱线的中心波数变为：则上式(2)变为：
由(2)、(3)式可见，在干涉图采样中心x＝0位置存在如下关系：
如上，基于多普勒差分干涉光谱技术的大气风速测量方法已经被提出。地基测风干涉仪主要以OI630nm和OI557.7nm为探测源实现250km和90km高度风场探测。通过测量天顶、东南西北斜向共五个方位观测获得经向和纬向风矢量数据。方位观测主要依靠前置扫描镜来实现。地基中高层大气风场测量所需要采集风速的方位如图1所示，中间为天顶方向，四周分别为东、南、西、北四个斜向方位。
如图2所示，现有地基高层大气风场测量前置扫描镜由两块矩形反射镜呈45°角分布而成。平面反射镜二102在图示位置可在第二同步带轮系统104的带动下绕水平光轴旋转180°，使进光口105指向天顶；在图示位置转动135°，可使进光口105指向倾斜45°，再通过第一同步带轮系统103带动平面反射镜一101和平面反射镜二102同步转动，实现东南西北四个方向斜向45°的光信号收集。该扫描镜系统由于需要两个平面反射镜及各自的支撑结构，导致其存在体积较大、结构复杂、扫描运动范围大、重量大等问题，并且由于同步带轮外露，结构件多，造成难以进行防水密封保护来适应室外测量等缺陷，目前的解决方案是设置一个能容纳整个系统并且不影响两个转动机构运转较大的球罩，但是该方式造成支撑结构庞大从而难以满足风场测量干涉仪系统的使用要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有地基高层大气风场测量前置扫描镜结构复杂、扫描运动范围大、重量大、难以进行防水密封来适应室外测量等缺陷，提出一种用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统，该系统是一种基于回转平台和一维直线位移平台的地基高层大气风场多方位防水扫描镜系统，具有结构简单可靠，体积重量小，易于实现防水密封的特点。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统，包括反射镜、一维直线位移平台、回转平台、转动保护罩和回转保护罩；所述反射镜、一维直线位移平台均设置转动保护罩内，且反射镜与一维直线位移平台的输出端连接，一维直线位移平台带动反射镜切入切出主光路；所述一维直线位移平台设置在回转平台上，所述回转平台通过一维直线位移平台带动反射镜实现沿主光路轴向的旋转；所述回转平台设置在安装平台上，用于与地基高层大气风场测量系统连接，所述回转保护罩设置在回转平台外侧，用于保护回转平台及主光路环境不受外部环境污染；所述转动保护罩包括保护罩本体和设置在保护罩本体上的天顶保护窗、侧边保护窗，所述保护罩本体设置在回转平台上，回转平台带动转动保护罩实现沿主光路光轴的旋转；所述天顶保护窗与回转平台轴线、主光路光轴同轴设置，用于收集天顶方向的光信号；所述侧边保护窗设置在反射镜的反射光路上，跟随反射镜同步旋转，侧边保护窗收集的光信号通过反射镜反射至主光路，主光路将收集的光信号传输至地基高层大气风场测量系统；所述侧边保护窗和保护罩本体之间设置有第一密封圈，所述天顶保护窗和保护罩本体之间设置有第二密封圈，所述保护罩本体与回转平台之间设置有第三密封圈，用于对光路环境进行保护。
进一步地，所述一维直线位移平台固定设置在转动保护罩上，用于实现反射镜和侧边保护窗的同步旋转。
进一步地，所述一维直线位移平台通过连接架固定设置在保护罩本体的侧壁上。
进一步地，所述反射镜为矩形反射镜、椭圆反射镜或圆反射镜。
进一步地，所述反射镜设置在反射镜结构框内，所述反射镜结构框通过连接板与一维直线位移平台的输出端连接。
进一步地，所述侧边保护窗通过侧边保护窗压板或密封粘接的方式设置在保护罩本体上。
进一步地，所述天顶保护窗通过天顶保护窗压板或密封粘接的方式设置在保护罩本体上。
进一步地，所述天顶保护窗为圆形窗口。
进一步地，所述侧边保护窗为矩形窗口或椭圆形窗口。
与现有技术相比，本发明系统具有的有益技术效果如下：
1.本发明系统将扫描所需的反射镜减少为一个，极大简化了系统的结构复杂度和难度，从而减小了系统整体体积和重量。同时，本发明系统将现有系统的皮带传动替换为回转平台和一维直线位移平台，系统构成更加简易、易于实现，转动定位精度更高，系统运动件的维护更易于实现快速更换。
2.现有系统两个反射镜所在部件均需要一定角度的单轴转动和组合转动，系统所需运动范围较大，并且两组皮带传动和两个电机均外露，难以实现全系统保护或全系统保护后整体尺寸和重量将急剧增加。本发明系统将转动部件缩减为一个，并且将天顶方向和东西南北斜向观察的反射镜切换运动纳入转动部件内部，使得整体系统从外部看只有一个运动部件，系统的防护只需要在转动部件外壳和回转平台外壳之间以及回转平台外壳和基座之间进行简单的密封设置即可实现，极大简化了光路保护的难度。
附图说明
图1为现有地基中高层大气风场测量方位示意图；
图2为现有前置扫描镜机构的结构示意图；
图3为本发明用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统示意图。
附图标记：1-反射镜，2-一维直线位移平台，3-回转平台，4-转动保护罩，5-回转保护罩，6-第一密封圈，7-第二密封圈，8-第三密封圈，9-连接架，10-反射镜结构框，11-侧边保护窗压板，12-天顶保护窗压板，41-保护罩本体，42-天顶保护窗，43-侧边保护窗，101-平面反射镜一，102-平面反射镜二，103-第一同步带轮系统，104-第二同步带轮系统，105-进光口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统，该系统是一种基于回转平台和一维直线位移平台，具有两个自由度的多视场扫描镜系统，能够实现地基高层大气风场测量对天顶和东南西北四个方向视场测量需求。和现有技术相比，本发明将两个反射镜缩减为一个反射镜，将两个皮带传动机构简化为回转平台和一维直线位移平台，极大简化了结构的复杂程度。现有技术中若要实现天顶和东西南北斜向观测均需要两个皮带转动机构配合运行才能达到目的，并且组合运动造成的机构运动范围为系统本身尺寸的两倍以上，如此造成整个系统所需空间剧增并且户外环境防护难度极大，而本发明系统将运动模块缩减为一个，其中天顶和东西南北斜向观察的反射镜切换运动纳入转动模块内部，使得结构复杂度、运动空间和防护难度大大降低，结构的简化使得整体尺寸和重量均比现有技术有优势。
如图3所示，本发明提供的用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统包括反射镜1、一维直线位移平台2、回转平台3、转动保护罩4和回转保护罩5；反射镜1、一维直线位移平台2均设置转动保护罩4内，且反射镜1与一维直线位移平台2的输出端连接，一维直线位移平台2带动反射镜1切入切出主光路；一维直线位移平台2设置在回转平台3上，回转平台3通过一维直线位移平台2带动反射镜1实现沿主光路光轴的旋转；回转平台3设置在安装平台上，用于与地基高层大气风场测量系统连接，转动保护罩4包括保护罩本体41和设置在保护罩本体41上的天顶保护窗42、侧边保护窗43，保护罩本体41设置在回转平台3上，回转平台3带动转动保护罩4实现沿主光路光轴的旋转；天顶保护窗42与回转平台3轴线、主光路光轴同轴设置，用于收集天顶方向的光信号；侧边保护窗43设置在反射镜1的反射光路上，跟随反射镜1同步旋转，侧边保护窗43收集的光信号通过反射镜1反射至主光路，主光路将收集的光信号传输至地基高层大气风场测量系统。本发明反射镜1和一维直线位移平台2可直接与回转平台3连接，也可通过转动保护罩4与回转平台3连接，具体的，一维直线位移平台2可通过连接架9固定设置在保护罩本体41的侧壁上，用于实现反射镜1和侧边保护窗43的同步旋转。
为实现本发明系统的良好密封性能，回转平台3外侧设置有回转保护罩5，回转保护罩5保护回转平台3及主光路环境不受外部环境污染；与此同时，还可在侧边保护窗43和保护罩本体41之间设置有第一密封圈6，天顶保护窗42和保护罩本体41之间设置有第二密封圈7，保护罩本体41与回转平台3之间设置有第三密封圈8，对光路环境进行保护。
在本发明实施例中，反射镜1设置在反射镜结构框10内，反射镜结构框10通过连接板与一维直线位移平台2的输出端连接。侧边保护窗43具体可为矩形窗口或椭圆形窗口，可通过侧边保护窗压板11或密封粘接的方式设置在保护罩本体41上。天顶保护窗42具体可为圆形窗口，可通过天顶保护窗压板12或密封粘接的方式设置在保护罩本体41上。
本发明系统的反射镜1为矩形反射镜、椭圆反射镜或圆反射镜，设置矩形反射镜是在满足光学视场范围的要求下尽量减小反射镜1尺寸的考虑，根据几何学，视场在反射镜镜面的光学脚印图为类似于椭圆，因此反射镜设置为矩形，避免按照常规圆形镜片设置造成镜片无效尺寸过多从而导致相关结构支撑件体积变大而使扫描镜系统整体尺寸增大重量增大的问题。
本发明地基高层大气风场多方位防水扫描镜系统各组件功能及技术要求如下：
反射镜1用于将斜向角度的光线引入主光路中，反射镜1的角度可根据光路需要进行调整，反射镜结构框10通过连接板和一维直线位移平台2紧固连接。
一维直线位移平台2用于连接反射镜1，并带动反射镜1在水平并垂直于主光路光轴的方向移动。一维直线位移平台2有两个工作位置，位置一时的反射镜1移出主光路视场，主光路收集天顶方向信号，位置二时的反射镜1位于主光路中，主光路收集天顶方向的信号。一维直线位移平台2通过连接架9和回转平台3连接。
扫描保护罩组件用于引入天顶和东西南北斜向光信号，并且保护反射镜1及主光路环境不受外部环境污染。扫描保护罩组件主要由天顶保护窗42、天顶保护窗压板12、O型圈、侧边保护窗43、侧边保护窗压板11、保护罩本体41组成。保护罩本体41与一维直线位移平台2连接，天顶保护窗42、侧边保护窗43和保护罩本体41之间通过O型圈进行密封。
回转平台3的作用是支承反射镜1及扫描保护罩组件，并带动主光路中的反射镜1绕主光轴旋转，实现测试系统对东、西、南、北四个方向光信号的收集。回转平台3顶部支承反射镜1及扫描保护罩组件，下部和安装平台连接。回转保护罩5的作用是保护回转平台3及主光路环境不受外部环境污染。回转保护罩5顶部和一维直线位移平台2连接架9之间通过O型圈实现动密封，上部转动部件可在回转运动中保持密封。回转保护罩5下部通过法兰和安装平台连接并且同样通过O型圈和安装平台之间进行密封，以保证整个扫描镜系统和外部环境密封隔离。
本发明用于地基高层大气风场测量的前置扫描镜系统采用1个矩形反射镜1作为光路折转元件，反射镜1通过连接板固定在侧置的一维直线位移平台2上，反射镜1和一维直线位移平台2组合后再通过连接架9固定在带中心孔的回转平台3上。其中反射镜1实现东西南北四个方位的光路折转和指向对准。侧置的一维直线位移平台2带动反射镜1实现两个位置之间的切换，当位于位置一时，反射镜1移出主光路，测量系统可对天顶方向进行观测；当反射镜1位于位置二时，测量系统可斜向45°方向观测。此时，回转平台3带动反射镜1和一维直线位移平台2进行回转运动，控制东、南、西、北四个方向的指向对准。为了满足室外测量的需要，系统在天顶方向和斜向方向均设置了密封观测窗口，在反射镜1和一维直线位移平台2组合体外围设置了转动保护罩4，转动保护罩4和回转保护罩5之间设置了密封机构，在保证运动功能的同时防止水汽和灰尘的侵入。
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