大氣激光雷達探測系統中鍍膜鏡片的環境試驗研究

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的結構和工作原理進行了簡單介紹，針對其使用環境，在參考《光學薄膜元件環境適應性試驗方法》（GB/T26331-2010）的基礎上，設計了大氣激光雷達探測系統中鍍膜鏡片的環境可靠性試驗。

【關鍵詞】激光雷達 鍍膜鏡片 國家標準 環境可靠性

1 引言

隨著全球工業化和城鎮化進程的不斷加快，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系統的自我凈化能力，還已經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的霧霾天氣，呈現出頻率越來越高、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鍵的一個環節。大氣污染的治理，離不開強有效的監測手段，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。隨著激光技術的發展，激光雷達探測技術開始廣泛用于監測大氣顆粒物。

2 大氣激光雷達探測技術

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、能量集中等優點，在科學技術、國防軍事以及民用等各個領域中得到了廣泛的應用。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信息的光學遙感技術[1]。激光雷達技術具有分辨率高、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，實現對大氣污染物進行有效的監測，是一種非常有前景的大氣顆粒物探測技術[2]。

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

大氣中污染物的成分非常復雜，顆粒物直徑變化范圍也非常大，根據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計要求，可以說光學鏡片就是整個探測系統的眼睛，是確保整個探測系統正常運行的關鍵環節。

光學鏡片在經過設計和光學冷加工后，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受復雜天氣狀況的沖擊，所以為了保證大氣激光雷達探測系統在使用過程中，不因鏡片的損壞而導致探測系統的癱瘓，必須要對鏡片就行嚴格的環境可靠性測試。

3 環境試驗的項目選擇

為了應對復雜多變的大氣狀況，要有針對性地設計測試項目，盡可能模擬真實的使用環境。

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，所以要設計耐摩擦試驗。對于激光準直鏡，由于該系統通常在室內環境或密閉環境中使用，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摩擦，25個來回（50次）；對于擴束系統及望遠鏡系統的鏡片，有可能會暴露在戶外大氣條件中，受戶外環境影響較大，所處環境也更為復雜，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及望遠鏡系統，其鍍膜鏡片可采用鹽溶液浸泡6h和沸水煮5min實驗。每次結束后，進行恢復處理。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，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，光學薄膜元件環境適應性試驗方法（GB/T26331-2010）中指出，相比于單項試驗，綜合試驗能夠更好地模擬實際環境，以檢驗鍍膜鏡片的環境可靠性，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是：根據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的一個指標，應該首先考慮，如果附著力不夠好，進行其他試驗都是沒有必要的；溫度試驗循環試驗、恒溫恒濕試驗、水煮和浸泡試驗根據由干到濕排序；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 結束語

本文對大氣顆粒物激光雷達探測系統中鍍膜鏡片的試驗進行了設計，其試驗項目以及試驗指標都考慮了大氣環境中的各種實際情況，比較有針對性。目前光學系統所使用的光學鏡片基本都需要鍍制各種類型的光學薄膜，為了保證光學系統的正常使用，光學薄膜鏡片在使用前，都要進行相關的環境可靠性試驗。不同的使用環境，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中，還要考慮鍍膜鏡片的激光損傷閾值。鍍膜鏡片環境可靠性試驗的設計，不應該片面追求過多的試驗項目和過高的試驗指標，而應該根據具體的使用環境有針對地進行設計，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. 激光雷達的應用及發展趨勢[J].遙測遙控，2014（05）：4-22.

[2]陳士英，張平貴，盧俊平.激光雷達技術及其在大氣環境監測中的應用[J].內蒙古科技與經濟，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.光學薄膜元件環境適應性試驗方法（GB/T26331-2010），2011（06）.

作者簡介

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

作者單位

1.中山火炬職業技術學院光電工程系 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