CN106226783A - 基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统。包括激光发射单元、光学接收单元、光信号保护单元和光电信号分析单元，所述光信号保护单元，用于保护从光学接收单元发出的光线。本发明通过采用激光雷达探测大气颗粒物，在光学接收单元与光电探测器之间设置电磁保护装置，通过电磁保护装置保护回执光线，避免周围电磁信号的影响，提高该系统的灵敏度和测量精度；并且，该系统采用对激光发射气后的向后散射光经过频谱分析仪得到大气颗粒物的激光功率谱曲线数据与激光直接发射到光电信号分析单元，通过频谱分析仪得到无颗粒物的激光功率谱曲线数据进行对比，并作为数据测量的基线。
Description
技术领域
本发明属于大气颗粒物探测技术领域，特别是涉及基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统。
背景技术
目前，对于大气颗粒物微物理特征参数的测量技术，较为成熟的是激光多普勒和光散射技术。激光多普勒测速是利用外差方法测量多普勒频移来获得颗粒物的速度信息，具有非介入、高空间分辨和快速响应等优点，但一般需要分光器件以形成外部干涉，并且光程差需要在激光相干长度内才能观测到多普勒干涉信号，因此同时存在光路复杂、难以准直、对光源相干性要求高等不足，较难广泛应用于普通场合的颗粒物测量如烟道颗粒物监测等。光散射法是通过测量颗粒物对入射光在一定角度上的散射光信号并根据米散射原理推算出颗粒物粒径分布，主要有结合光散射的光学粒子计数和双光斑飞行时间测量技术，可实现多通道、高精度的微米级颗粒物粒径测量，但信号探测结构更为复杂，需要设计精巧的椭球镜信号收集系统，并将散射和接收光分别调整到不同的焦点上才能实现颗粒物粒径的测量。
近年来，由激光多普勒技术发展而来的激光自混合技术(即激光器的出射光经外部物体散射或反射后，部分光反馈回激光腔形成新的谐振，通过测量激光功率、频率的变化来获取外部物体运动、形貌等信息的测量技术)，无需外部干涉，具有系统结构简单、体积小、易于调节、精度高且不受激光器功率波动影响等优点，可广泛应用于速度、位移、距离等物理量的高精度测量。但是，由于大气颗粒物散射信号很弱、颗粒物多种物理特性会同时影响激光自混合信号并存在一定的随机波动，很难测量到明显的激光自混合信号，更无法实现颗粒物多种物理参数的有效提取。因此，普通的激光自混合传感系统无法实现大气颗粒物多参数的准确测量。
发明内容
本发明的目的在于提供基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统，通过采用激光雷达探测大气颗粒物，在光学接收单元与光电探测器之间设置电磁保护装置，提高该系统的灵敏度和测量精度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统，包括激光发射单元、光学接收单元、光信号保护单元和光电信号分析单元；所述激光发射单元将激光发射到大气颗粒物上，部分后向散射光沿着入射路径反馈回光学接收单元；所述光学接收单元用于大气颗粒物入射激光的向后散射光线的收集，并且，使得光学接收单元的接收光轴与激光发射单元的发光轴相互平行；所述光信号保护单元，用于保护从光学接收单元发出的光线；所述光电信号分析单元，用于对光学接收单元发出的光线进行光学参数测量，以及对激光发射单元发出的光线进行光学参数测量。
进一步地，所述光信号保护单元包括玻璃屏蔽管，所述玻璃屏蔽管的两端分别缠绕线圈，所述线圈与电磁波检测仪连接。
进一步地，所述光电信号分析单元包括光电探测器、信号放大器、数据采集卡、频谱分析仪和计算机；
所述光电探测器与一光电倍增管电连接；
所述光信号保护单元射出的光线与光电探测器的光电倍增管阴极面上，进行光电转换；
所述光电探测器将光功率的调制转变为光功率电信号，光功率电信号与信号放大器连接，得到放大电信号；
所述信号放大器分别与数据采集卡、频谱分析仪连接；
所述数据采集卡和频谱分析仪分别接入计算机。
进一步地，所述光学接收单元包括接收望远镜、目镜和分色镜；所述接收望远镜与目镜之间还设有光阑。
进一步地，所述激光发射单元的激光穿过光信号保护单元直接发射到光电探测器，通过光电探测器上的光电倍增管进行光电转换，通过信号放大器将放大的信号分别通过数据采集卡和频谱分析仪连接入计算机。
该系统的原理是通过预先对激光发射单元的激光进行数据的采集，即通过将激光发射单元的激光直接发射到光电探测器，光信号保护单元射出的光线与光电探测器的光电倍增管阴极面上，进行光电转换，通过信号放大器将放大，放大的信号分别通过数据采集卡和频谱分析仪连接入计算机；由频谱分析仪得到无颗粒的激光功率谱曲线，得到功率谱半宽的标准变化关系图谱。
然后，将激光发射单元将激光发射到大气颗粒物上，部分后向散射光沿着入射路径反馈回光学接收单元，将从光信号保护单元射出的光线与光电探测器的光电倍增管阴极面上，进行光电转换；光电探测器将光功率的调制转变为光功率电信号，光功率电信号与信号放大器连接，得到放大电信号，信号放大器分别与数据采集卡、频谱分析仪连接，并将数据采集卡和频谱分析仪得出的数据发送到计算机，由频谱分析仪得到大气颗粒物的激光功率谱曲线，与无颗粒物的激光功率谱曲线进行对比，提高系统的灵敏度和测量精度。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过采用激光雷达探测大气颗粒物，在光学接收单元与光电探测器之间设置电磁保护装置，通过电磁保护装置保护回执光线，避免周围电磁信号的影响，提高该系统的灵敏度和测量精度；并且，该系统采用对激光发射气后的向后散射光经过频谱分析仪得到大气颗粒物的激光功率谱曲线数据与激光直接发射到光电信号分析单元，通过频谱分析仪得到无颗粒物的激光功率谱曲线数据进行对比，并作为数据测量的基线。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统，包括激光发射单元、光学接收单元、光信号保护单元和光电信号分析单元；激光发射单元将激光发射到大气颗粒物上，部分后向散射光沿着入射路径反馈回光学接收单元；光学接收单元用于大气颗粒物入射激光的向后散射光线的收集，并且，使得光学接收单元的接收光轴与激光发射单元的发光轴相互平行；光信号保护单元，用于保护从光学接收单元发出的光线；光电信号分析单元，用于对光学接收单元发出的光线进行光学参数测量，以及对激光发射单元发出的光线进行光学参数测量。
专利文献ZL201110386025.6《激光自混合大气颗粒物多物理参数测量方法和装置》提供了一种闭环境下的大气颗粒物激光信号频谱分析方法。
其中，光信号保护单元包括玻璃屏蔽管，所述玻璃屏蔽管的两端分别缠绕线圈，所述线圈与电磁波检测仪连接。
其中，光电信号分析单元包括光电探测器、信号放大器、数据采集卡、频谱分析仪和计算机；
光电探测器与一光电倍增管电连接；
光信号保护单元射出的光线与光电探测器的光电倍增管阴极面上，进行光电转换；
光电探测器将光功率的调制转变为光功率电信号，光功率电信号与信号放大器连接，得到放大电信号；
信号放大器分别与数据采集卡、频谱分析仪连接；
数据采集卡和频谱分析仪分别接入计算机。
其中，光学接收单元包括接收望远镜、目镜和分色镜；接收望远镜与目镜之间还设有光阑。
其中，激光发射单元的激光穿过光信号保护单元直接发射到光电探测器，通过光电探测器上的光电倍增管进行光电转换，通过信号放大器将放大的信号分别通过数据采集卡和频谱分析仪连接入计算机。
该系统的原理是通过预先对激光发射单元的激光进行数据的采集，即通过将激光发射单元的激光直接发射到光电探测器，光信号保护单元射出的光线与光电探测器的光电倍增管阴极面上，进行光电转换，通过信号放大器将放大，放大的信号分别通过数据采集卡和频谱分析仪连接入计算机；由频谱分析仪得到无颗粒的激光功率谱曲线，得到功率谱半宽的标准变化关系图谱。
然后，将激光发射单元将激光发射到大气颗粒物上，部分后向散射光沿着入射路径反馈回光学接收单元，将从光信号保护单元射出的光线与光电探测器的光电倍增管阴极面上，进行光电转换；光电探测器将光功率的调制转变为光功率电信号，光功率电信号与信号放大器连接，得到放大电信号，信号放大器分别与数据采集卡、频谱分析仪连接，并将数据采集卡和频谱分析仪得出的数据发送到计算机，由频谱分析仪得到大气颗粒物的激光功率谱曲线，与无颗粒物的激光功率谱曲线进行对比，提高系统的灵敏度和测量精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (5)
1.基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统，其特征在于：包括激光发射单元、光学接收单元、光信号保护单元和光电信号分析单元；
所述激光发射单元将激光发射到大气颗粒物上，部分后向散射光沿着入射路径反馈回光学接收单元；
所述光学接收单元用于大气颗粒物入射激光的向后散射光线的收集，并且，使得光学接收单元的接收光轴与激光发射单元的发光轴相互平行；
所述光信号保护单元，用于保护从光学接收单元发出的光线；
所述光电信号分析单元，用于对光学接收单元发出的光线进行光学参数测量，以及对激光发射单元发出的光线进行光学参数测量。
2.根据权利要求1所述的基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统，其特征在于，所述光信号保护单元包括玻璃屏蔽管，所述玻璃屏蔽管的两端分别缠绕线圈，所述线圈与电磁波检测仪连接。
3.根据权利要求1所述的基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统，其特征在于，所述光电信号分析单元包括光电探测器、信号放大器、数据采集卡、频谱分析仪和计算机；
所述光电探测器与一光电倍增管电连接；
所述光信号保护单元射出的光线与光电探测器的光电倍增管阴极面上，进行光电转换；
所述光电探测器将光功率的调制转变为光功率电信号，光功率电信号与信号放大器连接，得到放大电信号；
所述信号放大器分别与数据采集卡、频谱分析仪连接；
所述数据采集卡和频谱分析仪分别接入计算机。
4.根据权利要求1所述的基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统，其特征在于，所述光学接收单元包括接收望远镜、目镜和分色镜；所述接收望远镜与目镜之间还设有光阑。
5.根据权利要求1所述的基于激光雷达的大气颗粒物光学参数测量系统，其特征在于，所述激光发射单元的激光还直接发射到光电探测器，通过光电探测器上的光电倍增管进行光电转换，通过信号放大器将放大的信号分别通过数据采集卡和频谱分析仪连接入计算机。
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