石澎++張寧++王瑞生++吳姚莎++王麗榮

摘 要 對大氣激光雷達探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了簡單介紹，針對其使用環(huán)境，在參考《光學薄膜元件環(huán)境適應(yīng)性試驗方法》（GB/T26331-2010）的基礎(chǔ)上，設(shè)計了大氣激光雷達探測系統(tǒng)中鍍膜鏡片的環(huán)境可靠性試驗。

【關(guān)鍵詞】激光雷達 鍍膜鏡片 國家標準 環(huán)境可靠性

1 引言

隨著全球工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，人類在改造自然造福自己的同時，向大氣排放了各種污染物，這些污染物不但遠遠超出了地球生態(tài)系統(tǒng)的自我凈化能力，還已經(jīng)嚴重威脅到了人類以及各種生物的健康與生存。尤其是近些年來，高濃度大氣細顆粒物引發(fā)的霧霾天氣，呈現(xiàn)出頻率越來越高、強度越來越大、范圍越來越廣的特點，給人們生活、交通帶來諸多不便的同時，也嚴重影響了人們的健康和生活質(zhì)量。

當前大氣污染的形勢嚴峻，必須采取有效措施進行防控和治理，而高效的大氣污染檢測是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。大氣污染的治理，離不開強有效的監(jiān)測手段，只有精確、快速地檢測出大氣污染的來源、成分、濃度、顆粒物尺寸等信息，才能采取有效手段，進行治理。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光雷達探測技術(shù)開始廣泛用于監(jiān)測大氣顆粒物。

2 大氣激光雷達探測技術(shù)

自20世紀60年代世界上第一臺激光器問世以來，激光以其單色性好、方向性強、能量集中等優(yōu)點，在科學技術(shù)、國防軍事以及民用等各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。激光雷達是通過探測遠距離目標的散射光特性來獲取目標相關(guān)信息的光學遙感技術(shù)[1]。激光雷達技術(shù)具有分辨率高、探測靈敏度高、抗干擾能力強、探測距離遠、實時性強等優(yōu)點，可以有效探測氣溶膠、大氣顆粒物成分、溫度和濕度等方面的變化，實現(xiàn)對大氣污染物進行有效的監(jiān)測，是一種非常有前景的大氣顆粒物探測技術(shù)[2]。

大氣顆粒物探測激光雷達系統(tǒng)主要由激光器輸出系統(tǒng)、光電探測器、信號處理系統(tǒng)等部分組成等組成，應(yīng)用到的光學系統(tǒng)主要包括擴束鏡、望遠鏡和準直鏡[3]，大氣顆粒物激光雷達探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

大氣中污染物的成分非常復(fù)雜，顆粒物直徑變化范圍也非常大，根據(jù)顆粒物的種類和顆粒物的大小需要采用合適的探測方法和激光波長，常用的激光波長有387nm，407nm，532nm，607nm等。大氣顆粒物激光雷達探測的方法主要有：瑞利散射法、米氏散射法、共振散射法和熒光散射法、共振吸收法、多普勒頻移測量法、、共振喇曼散射法等。不同的激光波長對擴束鏡、望遠鏡和準直鏡所使用的光學鏡片都有不同的設(shè)計要求，可以說光學鏡片就是整個探測系統(tǒng)的眼睛，是確保整個探測系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

光學鏡片在經(jīng)過設(shè)計和光學冷加工后，還需要進行光學鍍膜處理，才能更好的發(fā)揮其作用。由于是用于大氣顆粒物測量，這些光學鏡片必須要經(jīng)受復(fù)雜天氣狀況的沖擊，所以為了保證大氣激光雷達探測系統(tǒng)在使用過程中，不因鏡片的損壞而導(dǎo)致探測系統(tǒng)的癱瘓，必須要對鏡片就行嚴格的環(huán)境可靠性測試。

3 環(huán)境試驗的項目選擇

為了應(yīng)對復(fù)雜多變的大氣狀況，要有針對性地設(shè)計測試項目，盡可能模擬真實的使用環(huán)境。

3.1 摩擦試驗

風沙天氣、安裝或者使用過程中的剮蹭，會對鏡片的表面造成傷害，所以要設(shè)計耐摩擦試驗。對于激光準直鏡，由于該系統(tǒng)通常在室內(nèi)環(huán)境或密閉環(huán)境中使用，不直接暴露在戶外，其試驗嚴酷等級可略低，試驗采用脫脂棉紗布，在4.9N垂直壓力下對鍍膜鏡片進行固定軌跡的往復(fù)摩擦，25個來回（50次）；對于擴束系統(tǒng)及望遠鏡系統(tǒng)的鏡片，有可能會暴露在戶外大氣條件中，受戶外環(huán)境影響較大，所處環(huán)境也更為復(fù)雜，一般可采用嚴酷等級更高的實驗條件，試驗采用橡皮，在4.9N垂直壓力下對鍍膜鏡片進行固定軌跡的往復(fù)摩擦，20個來回（40次）樣品試驗后無損傷、剝離、劃痕。

3.2 恒溫恒濕試驗

以我國為例，南方有些地方的夏季室外溫度達40℃以上，而北方冬季溫度低達-30℃以下，廣東更有相對濕度接近100%的潮濕天氣。試驗將鍍膜鏡片分別置于55℃保持16小時，-40℃保持16小時，從常溫開始升溫或者降溫的速率為3℃/min，相對濕度不超過40%，特別是低溫試驗時注意樣品表面不能有凝露產(chǎn)生。樣品試驗后無起皮、起泡、剝離、裂紋等缺陷。

3.3 浸泡和水煮試驗

雨水、露水以及人員操作時的汗液也會侵蝕鏡片。試驗方法包括水煮、浸泡，浸泡的溶液包括蒸餾水和濃度為5%的氯化鈉鹽溶液（pH值在6.5-7.2之間）。試驗方案為：水溶液浸泡96h，鹽溶液浸泡6h，沸水煮5min。對于激光準直鏡，可采用水溶液浸泡96h和鹽溶液浸泡6h實驗；對有可能會暴露在戶外大氣條件中的擴束系統(tǒng)及望遠鏡系統(tǒng)，其鍍膜鏡片可采用鹽溶液浸泡6h和沸水煮5min實驗。每次結(jié)束后，進行恢復(fù)處理。樣品試驗后無起皮、起泡、剝離、裂紋等缺陷。

3.4 溫度循環(huán)試驗

氣溫的變化也會對鏡片帶來沖擊，不過在自然界中氣溫的變化的幅度和速率一般不會太大，例如在12h內(nèi)，夏天可能從40℃降到20℃；冬天可能從10℃降到-30℃。本試驗在-40℃-70℃之間循環(huán)5次，溫度變化速率1℃/min。樣品試驗后無起皮、起泡、剝離、裂紋等缺陷。

3.5 鹽霧試驗

由于大氣污染帶來的酸雨、酸霧會對鏡片造成腐蝕。需要專門的鹽霧試驗裝置進行測試。本試驗溫度35℃、鹽霧濃度為5%、ph為7，保持24h。

3.6 附著力測試

主要是考量薄膜與鏡片的結(jié)合能力，可以采用膠帶進行測試。采用180°的剝離強度為7N/25mm左右的透明膠帶，貼在鍍膜鏡片上以25mm/s的速度垂直拉離。樣品試驗后無起皮、起泡、剝離、裂紋等缺陷。

以上為單項試驗項目，光學薄膜元件環(huán)境適應(yīng)性試驗方法（GB/T26331-2010）中指出，相比于單項試驗，綜合試驗?zāi)軌蚋玫啬M實際環(huán)境，以檢驗鍍膜鏡片的環(huán)境可靠性，因此參考其推薦的順序，本項目可以采取的順序為見圖2。且每個試驗進行完后，都要進行恢復(fù)處理，以防止干擾其他項目的測試。

試驗順序這樣安排的依據(jù)是：根據(jù)各試驗項目對膜層以及基底（鏡片）的損傷程度按照“由輕到重、由干到濕”的順序排列。附著力作為薄膜最基礎(chǔ)的一個指標，應(yīng)該首先考慮，如果附著力不夠好，進行其他試驗都是沒有必要的；溫度試驗循環(huán)試驗、恒溫恒濕試驗、水煮和浸泡試驗根據(jù)由干到濕排序；摩擦試驗放于水煮和浸泡試驗之后是對前面幾項檢驗結(jié)果的再檢驗，鹽霧試驗放于最后是因為會對基底造成腐蝕，影響對薄膜的準確評估。

4 結(jié)束語

本文對大氣顆粒物激光雷達探測系統(tǒng)中鍍膜鏡片的試驗進行了設(shè)計，其試驗項目以及試驗指標都考慮了大氣環(huán)境中的各種實際情況，比較有針對性。目前光學系統(tǒng)所使用的光學鏡片基本都需要鍍制各種類型的光學薄膜，為了保證光學系統(tǒng)的正常使用，光學薄膜鏡片在使用前，都要進行相關(guān)的環(huán)境可靠性試驗。不同的使用環(huán)境，對光學薄膜鏡片的考驗不同，例如在一些較高功率的激光系統(tǒng)中，還要考慮鍍膜鏡片的激光損傷閾值。鍍膜鏡片環(huán)境可靠性試驗的設(shè)計，不應(yīng)該片面追求過多的試驗項目和過高的試驗指標，而應(yīng)該根據(jù)具體的使用環(huán)境有針對地進行設(shè)計，防止“過度試驗”。

參考文獻

[1]趙一鳴，李艷華，商雅楠，李靜，于勇，李涼海. 激光雷達的應(yīng)用及發(fā)展趨勢[J].遙測遙控，2014（05）：4-22.

[2]陳士英，張平貴，盧俊平.激光雷達技術(shù)及其在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2010（02）：85-86+91.

[3]劉波，趙一鳴，李菁文，李涼海，于勇.大氣探測激光雷達望遠鏡設(shè)計方法研究[J].遙測遙控，2014（02）：37-42.

[4]陰曉俊，費書國，王瑞生等.光學薄膜元件環(huán)境適應(yīng)性試驗方法（GB/T26331-2010），2011（06）.

作者簡介

石澎（1983-），男，山東省蘭陵縣人?，F(xiàn)為中山火炬職業(yè)技術(shù)學院講師/在讀博士。主要研究方向為光學薄膜技術(shù)。

作者單位

1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學院光電工程系 廣東省中山市 528436

2.沈陽儀表科學研究院有限公司 遼寧省沈陽市 110043