CN108919233A - 一种大气颗粒物层析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大气颗粒物层析仪，包括发射机、接收机、调制信号发生器和光路及角度调节机构，在光路及角度调节机构作用下能够使发射机和接收机的光学系统满足沙氏成像原理，发射机的光源采用连续光二极管激光器。大气颗粒物层析仪通过对发射到大气中的激光光束在满足沙氏原理的条件下进行成像，以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号，通过使用连续光光源以及图像传感器作为探测器，能够极大地简化系统结构、降低系统成本。本方案有效解决了传统脉冲式激光雷达技术在光源和光电检测方面系统复杂的难题，并将近场探测盲区缩短至大约80m，通过特殊的光机结构设计，极大地提高了系统的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种基于沙氏成像原理的新型激
光雷达。
背景技术
随着中国城市化进程的加快,随之而来的污染问题也越来越引起人们的广泛关注。目前传统的大气污染监测主要是基于定点采样观测技术去获得数据，仅能反映取样点很小范围内的空气污染程度。在垂直梯度观测的空间分析站点也非常有限,无法得到大气垂直方向污染分布,已越来越不能满足科学研究、大气环境监测以及国家决策的需求。如何利用现代科学手段有效监测城市大气环境污染程度、从而为有效管理提出科学定量的数据,已成为相关学科全新的研究课题。激光雷达(Light Detection and Ranging，Lidar)技术是一种主动式光学遥感探测技术，其在高度/空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力、以及实时监测等方面具有独特的优势。目前，传统的脉冲式激光雷达在国内外应用较为广泛。脉冲式激光雷达技术的硬件原理是向大气中发射纳秒量级的脉冲光并以时间分辨的方式探测其后向散射光的强度，从而实现了不同距离上大气回波信号的探测。然而，脉冲式气溶胶激光雷达系统的设计和维护成本却居高不下。这主要是由于两方面的原因：其一，是该技术需要的高性能纳秒量级脉冲光源如Nd:YAG激光器等，不仅成本高昂、系统复杂，而且后期维护成本高；其二，是由于激光雷达信号与距离的平方成反比，系统对动态范围的要求非常高，不仅需要高灵敏探测器如光电倍增管等，而且需要高速模拟采样以及单光子计数技术等复杂的信号采样技术。因此，研究大气遥感探测的新技术和新方法，进一步提升大气激光遥感技术的成本、提高系统的稳定性和可维护性等方面的性能指标成为当前大气环境监测领域在大气遥感探测方面的重大挑战。
发明内容
本发明提供一种基于沙氏成像原理的大气颗粒物层析仪，解决传统脉冲式激光雷达技术面临的光源系统复杂、集成困难的技术难题，突破近距离探测盲区大的局限性以及成本高昂等应用瓶颈。
本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种大气颗粒物层析仪，包括发射机、接收机、调制信号发生器和光路及角度调节机构，其特征在于，在光路及角度调节机构作用下能够使发射机和接收机的光学系统满足沙氏成像原理，发射机的光源采用连续光二极管激光器。
优选的，所述发射机包括连续光二极管激光器、光束准直结构、半导体制冷及加热器件、机械安装结构件。
优选的，所述接收机包括接收望远镜、窄带滤光片、图像传感器、信号处理器。
优选的，所述光路及角度调节机构包括导轨式激光器支架和发射机支架。
优选的，所述满足沙氏成像原理指调节光束准直结构的光轴所在平面，接收望远镜主光学元件所在平面，图像传感器所在平面三者相交，从而实现从近距离到远距离的大范围内清晰成像。
优选的，所述导轨式激光器支架包括4根导轨和固定在光束准直结构上的环状导轨架，导轨一端固定机械安装结构件，另一端穿过环状导轨架。
优选的，所述发射机支架包括支架本体、旋转中心、锁紧螺栓和导向轴。
优选的，所述光束准直结构采用折射式天文望远镜。
优选的，所述连续光二极管激光器和半导体制冷及加热器件固定于机械安装结构件内。
优选的，所述接收望远镜采用牛顿反射式接收望远镜。
优选的，所述图像传感器采用面阵CCD或CMOS传感器，采集接收望远镜收集的散射光，将其转化为数字电信号。
优选的，所述信号处理器包括：
信号采集器，对图像传感器提供的数字电信号进行缓冲和暂存；
计算机或工控机，对数字图像信号进行大气回波信号处理和大气参数估计；
信号采集器和工控机以有线方式连接。
优选的，所述图像传感器相对于所述牛顿望远镜光轴存在一定的倾角，使得图像传感器所在平面与发射光束所在平面以及牛顿望远镜主镜所在平面三者相交。
优选的，所述调制信号发生器接收来自所述图像传感器的曝光同步信号，产生对所述连续光二极管激光器的开-关调制信号。
本发明的有益效果在于，大气颗粒物层析仪通过对发射到大气中的激光光束在满足沙氏原理的条件下进行成像，以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号，通过使用连续光光源(如二极管激光器)，以及CCD/CMOS传感器作为探测器，能够极大地简化系统结构、降低系统成本。本方案有效解决了传统脉冲式激光雷达技术在光源和光电检测方面系统复杂的难题，并将近场探测盲区缩短至大约80m。与此同时，通过特殊的光机结构设计，极大的提高了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的大气颗粒物层析仪总体组成及装配图；
图2是本发明的导轨式激光器支架装配图；
图3是本发明的发射机支架装配图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明以沙氏成像原理为基础，提供了一整套沙氏大气激光雷达系统的工程化方案，即大气颗粒物层析仪，系统结构如附图1至3所示。大气颗粒物层析仪主要由发射机1、接收机2、调制信号发生器和光路及角度调节机构组成。本系统采用约翰逊计数器作为方波调制信号发生器。
发射机1包括连续光二极管激光器、光束准直结构11、半导体制冷及加热器件、机械安装结构件12。为了增大系统的探测距离，可以选用高功率二极管激光器；光束准直结构11则采用折射式天文望远镜。将高功率二极管激光器安装在具备半导体制冷及加热功能的机械安装结构件12内，通过精确控制二极管激光器芯片的温度和电流，可以调节二极管激光器的工作波长。安装好的二极管激光器接入到折射式天文望远镜中，经主透镜准直后发射到大气中。为了减小光束的发散角，同时优化二极管激光器光束通过透镜的几何透过率，一般选取焦距为600mm、口径为100mm的折射式望远镜(焦比F6)。激光器对于温度是非常敏感，温度会直接影响到半导体激光器的工作参数，比如阈值电流、V-I关系、输出波长、P-I关系等，同时高温也会对激光器的使用寿命和效率产生极大的影响。大气颗粒物层析仪工作于野外环境，必须在二极管激光器的机械安装结构件内配备半导体制冷及加热器件，精确控制激光二极管的温度,确保其工作温度能够稳定在恰当的范围之内。
接收机2包括接收望远镜21、窄带滤光片、图像传感器、信号处理器。发射到大气中的激光光束将会被大气颗粒物及分子所吸收和散射。其中，大气后向散射信号由牛顿反射式接收望远镜(焦距800mm，口径200mm)收集，经窄带滤光片滤去背景光后最终成像到图像传感器上。图像传感器相对于牛顿望远镜光轴的倾角一般设计为45°。
图像传感器的任务是将接收到的回波光信号转化为数字电信号，通常采用CCD或CMOS传感器。图像传感器输出数字电信号至信号处理器，由信号处理器完成大气后向散射信号的处理，进行各种大气参数的提取。信号处理器由对数字电信号进行缓存的信号采集器和实际运行信号接收处理算法的计算机/工控机组成，二者之间采用USB线缆连接完成数据传输。窄带滤光片、图像传感器和信号采集器组成的接收组件22与接收望远镜21固定连接。
在保证发射机和接收机的光轴间隔约为806mm的条件下，大气颗粒物层析仪的光学结构可以满足沙氏成像原理，即发射机或发射光束所在平面，图像传感器所在平面，以及接收机的主光学元件所在平面三者相交。通过调节激光发射端的角度使得激光光束位于接收望远镜的视场中心，从而实现从近距离到远距离的大范围内清晰成像。本系统的光路及角度调节机构包括导轨式激光器支架41和发射机支架42。导轨式激光器支架由4根导轨411和固定在光束准直结构上的环状导轨架412组成，导轨411一端固定机械安装结构件12(内置二极管激光器和半导体制冷及加热器件)，另一端穿过环状导轨架412。在系统投入使用前，机械安装结构件12利用导轨可以相对于光束准直结构移动，调节激光器的焦距。光束准直结构11通过发射机支架活动连接云台的一侧，接收机2固定于云台的另一侧。发射机支架42由支架本体、旋转中心421、锁紧螺栓422和导向轴423组成。安装调试阶段，将光束准直结构11相对于云台以旋转中心为轴线转动一定角度，与接收望远镜21之间形成恰当的夹角，然后使用锁紧螺栓422固定。由于发射机1与接收望远镜21之间的夹角非常小(小于1度)，难以直接测量。因此一般通过测量远距离固定物体(如楼顶等)的回波信号在图像传感器上的位置来校准像素和距离之间的关系。
在进行大气测量时，为了排除太阳背景信号对激光雷达回波信号的影响，不仅需要使用窄带的干涉滤光片抑制背景信号的强度，还需要对二极管激光器的发射光强进行开-关调制。由图像传感器产生的曝光时钟信号触发约翰逊计数器产生调制方波信号，该方波信号触发二极管激光器驱动电路板产生方波电流，从而实现对二极管激光器发射光强的方波调制。
Claims (14)
1.一种大气颗粒物层析仪，包括发射机(1)、接收机(2)、调制信号发生器和光路及角度调节机构，其特征在于，在光路及角度调节机构作用下能够使发射机(1)和接收机(2)的光学系统满足沙氏成像原理，发射机(1)的光源采用连续光二极管激光器。
2.根据权利要求1所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述发射机(1)包括连续光二极管激光器、光束准直结构(11)、半导体制冷及加热器件、机械安装结构件(12)。
3.根据权利要求1或2所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述接收机(2)包括接收望远镜(21)、窄带滤光片、图像传感器、信号处理器。
4.根据权利要求1至3任一项所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述光路及角度调节机构包括导轨式激光器支架(41)和发射机支架(42)。
5.根据权利要求1至4任一项所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述满足沙氏成像原理指调节光束准直结构(11)的光轴所在平面，接收望远镜主光学元件所在平面，图像传感器所在平面三者相交，实现从近距离到远距离的大范围内清晰成像。
6.根据权利要求4所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述导轨式激光器支架(41)包括4根导轨(411)和固定在光束准直结构(11)上的环状导轨架(412)，导轨(411)一端固定机械安装结构件(12)，另一端穿过环状导轨架(412)。
7.根据权利要求4所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述发射机支架(42)包括支架本体、旋转中心(421)、锁紧螺栓(422)和导向轴(423)。
8.根据权利要求2所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述光束准直结构(11)采用折射式天文望远镜。
9.根据权利要求2所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述连续光二极管激光器和半导体制冷及加热器件固定于机械安装结构件(12)内。
10.根据权利要求3所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述接收望远镜(21)采用牛顿反射式接收望远镜。
11.根据权利要求3所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述图像传感器采用面阵CCD或CMOS传感器，采集接收望远镜收集的散射光，将其转化为数字电信号。
12.根据权利要求3所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述信号处理器包括：
信号采集器，对图像传感器提供的数字电信号进行缓冲和暂存；
计算机或工控机，对数字图像信号进行大气回波信号处理和大气参数估计；
信号采集器和工控机以有线方式连接。
13.根据权利要求10所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述图像传感器相对于所述牛顿望远镜光轴存在一定的倾角，使得图像传感器所在平面与发射光束所在平面以及牛顿望远镜主镜所在平面三者相交。
14.根据权利要求3所述的大气颗粒物层析仪，其特征在于，所述调制信号发生器接收来自所述图像传感器的曝光同步信号，产生对所述连续光二极管激光器的开-关调制信号。
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