CN108693088B - 一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***，包括收发***、显示***、取证***、扫描***、信号处理***以及光学信号处理***；所述收发***、显示***、信号处理***和光学信号处理***均位于壳体内，所述扫描***包括水平旋转箱、垂直旋转箱和连动杆所述水平旋转箱与收发***同轴设置，所述光学信号处理***与收发***的位置相配合。本发明可有效减小结构应变造成的光路偏移，整体监测性能和监测精度较高，受天气影响较小，同时可实现远距离监测，并且实现水平和垂直两个方向的旋转扫描，解决现今市场销售大气气溶胶激光雷达无法水平360°无限制旋转的问题和同步取证问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***。
背景技术
传统的光学***存在发射单元和接收单元不同轴、不同结构件造成光学稳定性受温度影响大的问题，以及接受信号受背景太阳光影响大，造成信号分析困难的问题。
传统的发射光源较多采用光纤外置式，存在着发射信号不稳定，寿命短等问题；传统的信号处理***对微弱信号的提取精度较低，且易受电磁干扰；传统的大气气溶胶激光雷达扫描均采用雷达主体旋转，非常笨拙且雷达长时间暴露在外边减少了雷达主体使用年限，受天气影响较大。
部分新型大气气溶胶激光雷达采用了分体扫描装置，但是无法解决摄录***与扫描***同步问题，且无法实现任意角度的锁定和360°连续旋转。
传统的取证***无法实现远距离高清昼夜取证，无光学透雾、激光照明等功能；传统的软件***无独立的数据库等。
发明内容
本发明的目的是：提供一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***，客服上述缺陷。
为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***，包括收发***、显示***、取证***、扫描***、信号处理***以及光学信号处理***；所述收发***、显示***、信号处理***和光学信号处理***均位于壳体内，所述扫描***包括水平旋转箱、垂直旋转箱和连动杆，所述水平旋转箱通过水平旋转***与壳体活动连接，所述垂直旋转箱通过垂直旋转***与水平旋转箱活动连接，所述连动杆的一端与垂直旋转***连接，所述取证***通过另一垂直旋转***与连动杆的另一端连接；所述收发***包括折射望远镜、扩束器、遮光管以及反射镜片；所述扩束器位于折射望远镜内部并且与折射望远镜同轴设置，所述扩束器的一端与折射望远镜的一端相平齐；所述遮光管位于折射望远镜内部并且与折射望远镜同轴设置，所述遮光管与扩束器连接，所述遮光管远离扩束器的一端与折射望远镜的另一端相平齐，所述反射镜片倾斜设置于折射望远镜的内壁，所述折射望远镜远离扩束器的一端设置有激光发生器，所述激光发生器的激光发射端与遮光管的位置相对应；所述取证***包括远距离高清摄像头、激光照明***、低照度高清摄像机以及自动聚焦***；所述远距离高清摄像头包括第一变焦透镜和变倍透镜，所述激光照明***包括第二变倍透镜，所述低照度高清摄像机包括CMOS图像传感器，所述自动聚焦***包括电机驱动器、DSP控制器、第一变焦电机、变倍电机以及第二变焦电机，所述电机驱动器分别与第一变焦电机、变倍电机、第二变焦电机以及DSP控制器电性连接，所述CMOS图像传感器与DSP控制器电性连接，所述第一变焦电机的输出端与第一变焦透镜机械连接，所述变倍电机的输出端与变倍透镜机械连接，所述第二变焦电机的输出端与第二变焦透镜机械连接；所述水平旋转箱与收发***同轴设置，所述光学信号处理***与收发***的位置相配合；所述信号处理***与光学信号处理***电性连接，所述信号处理***包括小信号运放***和高速采集组件，所述高速采集组件包括高速采集卡。
进一步的，所述显示***包括工控机和安装在工控机内的软件，所述软件包括激光器控制模块、采集箱控制模块、采集卡控制模块、UPS模块、通信模块、数据处理模块、绘图模块、设置模块以及日志模块。
进一步的，所述扫描***还包括控制***，所述控制***位于壳体内，所述水平旋转箱和垂直旋转箱内均设置有扫描反射镜，所述垂直旋转箱远离水平旋转箱的一端设置有除凝露***和出射接收窗口。
进一步的，所述光学信号处理***包括采集透镜、分束透镜、第一末端透镜、第二末端透镜、第一光电倍增管以及第二光电倍增管；所述采集透镜、分束透镜、第一末端透镜以及第一光电倍增管呈直线型依次布置，所述分束透镜、第二末端透镜以及第二光电倍增管呈直线型依次布置，所述采集透镜与收发***末端侧面光线射出的位置处相对应。
本发明的有益效果为：一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***，通过收发***、显示***、取证***、扫描***、信号处理***以及光学信号处理***的配合使用，实现了发射光束与接收光束同轴，有效减小结构应变造成的光路偏移；有效过滤非需求波长杂散信号，有效规避激光光源散光对接受***的干扰，从而提高设备的整体监测性能；实现了微弱信号提取与放大，从而提高设备的监测精度；实现了独立数据库运行与存储，从而使监测数据更加安全；实现了远距离高清实时取证，从而使监测数据直观与可信；受天气影响较小，同时可实现远距离监测，实现了扫描，实现了水平360°、垂直-135°～+135°连续旋转扫描，旋转精度较高，安全性高，转速可调，可以在各种天气条件下进行车载与固定基站扫描；延长了激光雷达的使用年限，易于车载和固定基站安装；同时，解决了现今市场销售大气气溶胶激光雷达无法水平360°无限制旋转的问题和同步取证问题。
附图说明
图1为本发明一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***的整体结构示意图。
图2为本发明一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***的软件结构示意图。
图3为本发明一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***的软件流程示意图。
图4为本发明一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***的取证***的结构示意图。
图5为本发明一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***的取证***的自动变焦原理示意图。
图6为本发明一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***的控制***结构框图。
图7为本发明一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***的小信号运放***的结构框图。
图中：1收发***；10、折射望远镜；11、扩束器；12、遮光管；13、反射镜片；2、显示***；20、工控机；21、软件；3、取证***；30、远距离高清摄像头；301、第一变焦透镜；302、变倍透镜；31、激光照明***；311、第二变焦透镜；32、低照度高清摄像机；321、CMOS图像传感器；33、自动聚焦***；331、电机驱动器；332、DSP控制器；333、第一变焦电机；334、变倍电机；335、第二变焦电机；4、扫描***；40、水平旋转箱；41、垂直旋转箱；42、水平旋转***；43、垂直旋转***；44、扫面反射镜；45、控制***；46、连动杆；47、除凝露***；48、出射接收窗口；5、信号处理***；50、小信号运放***；51、高速采集组件；6、光学信号处理***；60、采集透镜；61、分束棱镜；62、第一末端透镜；63、第二末端透镜；64、第一光电倍增管；65、第二光电倍增管。
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，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。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。
参考图1至图7，一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***，包括收发***1、显示***2、取证***3、扫描***4、信号处理***5以及光学信号处理***6；所述收发***1、显示***2、信号处理***3和光学信号处理***6均位于壳体内，所述扫描***4包括水平旋转箱40、垂直旋转箱41和连动杆46，所述水平旋转箱40通过水平旋转***42与壳体活动连接，所述垂直旋转箱41通过垂直旋转***43与水平旋转箱40活动连接，所述连动杆46的一端与垂直旋转***43连接，所述取证***3通过另一垂直旋转***43与连动杆46的另一端连接，所述水平旋转***42与垂直旋转***43均为采购，所述水平旋转箱40与收发***1同轴设置，所述光学信号处理***6与收发***1的位置相配合。
所述收发***1包括折射望远镜10、扩束器11、遮光管12以及反射镜片13；所述扩束器11位于折射望远镜10内部并且与折射望远镜10同轴设置，所述扩束器11的一端与折射望远镜10的一端相平齐；所述遮光管12位于折射望远镜10内部并且与折射望远镜10同轴设置，所述遮光管12与扩束器11连接，所述遮光管12远离扩束器11的一端与折射望远镜10的另一端相平齐，所述反射镜片13倾斜设置于折射望远镜10的内壁，所述反射镜片13用于改变光线轨迹，所述折射望远镜10远离扩束器11的一端设置有激光发生器14，所述激光发生器14的激光发射端与遮光管12的位置相对应，所述激光发生器14用于发出激光。
所述显示***2包括工控机20和安装在工控机20内的软件21，所述软件21包括激光器控制模块、采集箱控制模块、采集卡控制模块、UPS模块、通信模块、数据处理模块、绘图模块、设置模块以及日志模块；所述工控机21用于运行软件21、数据存储以及数据显示，所述工控机20的具体型号为华硕IPC-611MB；所述激光器控制模块通过串口通信控制激光发生器14的参数，包括温度、电流、出光能量、出光、停止出光等；所述采集箱控制模块用于对回波信号进行处理，保证信号质量；所述采集卡控制模块用于在激光发生器14发光的情况下把采集箱处理后的数据进行采集，并对数据进行运算处理，输出数据；所述UPS模块通过串口控制UPS以及获取UPS状态，通过获取的UPS状态对设备进行不同的处理，比如关机等操作；所述通信模块封装了串口通信，网络通信等动态链接库，供其他模块调用；所述数据处理模块主要对采集的数据进行处理，解析、存储等操作；所述绘图模块用于把处理好的数据绘制在软件上，比如回波信号，消光系数，退偏振比等；所述设置模块用于设置激光器参数，采集卡参数，以及数据的存储路径等参数；所述日志模块用来记录一些调试信息，或者一些错误信息等。
所述取证***3包括远距离高清摄像头30、激光照明***31、低照度高清摄像机32以及自动聚焦***33；所述远距离高清摄像头30包括第一变焦透镜301和变倍透镜302，所述激光照明***31包括第二变焦透镜311，所述低照度高清摄像机32包括CMOS图像传感器321，所述自动聚焦***33包括电机驱动器331、DSP控制器332、第一变焦电机333、变倍电机334以及第二变焦电机335；所述电机驱动器331分别与第一变焦电机333、变倍电机334、第二变焦电机335以及DSP控制器332电性连接，所述CMOS图像传感器321与DSP控制器332电性连接，所述第一变焦电机333的输出端与第一变焦透镜301机械连接，所述变倍电机334的输出端与变倍透镜302机械连接，所述第二变焦电机335的输出端与第二变焦透镜311机械连接。
所述扫描***4还包括控制***45，所述控制***45位于壳体内，所述水平旋转箱40和垂直旋转箱41内均设置有扫描反射镜44，所述垂直旋转箱41远离水平旋转箱40的一端设置有除凝露***47和出射接收窗口48。
所述扫描反射镜44是采用浮法玻璃材料，镀对应发射波长的全反射膜；所述出射接收窗口48的窗口片是采用石英GJS1材料，镀对应发射波长的增透膜。
所述除凝露***47采用的是通风型PTC加热器，是一种自动恒温器，可根据温度自动调节自身的功率输出，用于对出射接收窗口48的窗口片除凝露，从而保证出射接收窗口47不被凝露遮挡形成干扰。
所述信号处理***5与光学信号处理***6电性连接，所述信号处理***5包括小信号运放***50和高速采集组件51，所述高速采集组件51包括高速采集卡，所述高速采集卡的型号为NI的PCI5105。
所述光学信号处理***6包括采集透镜60、分束透镜61、第一末端透镜62、第二末端透镜63、第一光电倍增管64以及第二光电倍增管65；所述采集透镜60、分束透镜61、第一末端透镜62以及第一光电倍增管64呈直线型依次布置，所述分束透镜61、第二末端透镜63以及第二光电倍增管65呈直线型依次布置，所述采集透镜60与收发***1末端侧面光线射出的位置处相对应；所述第一光电倍增管64和第二光电倍增管65的具体型号均为滨松的R9880。
本发明的整体工作原理为：工控机20内的软件21的激光器控制模块控制激光发生器14发出激光，激光光束经扩束器11和遮光管12后，经由水平旋转箱40和垂直旋转箱41内的扫描反射镜44进行两次反射，由出射接收窗口48射出至大气中；激光与大气的相互作用，后向散射信号通过出射接收窗口48接收，射入垂直旋转箱41，经由垂直旋转箱41和水平旋转箱40内的扫描反射镜44的先后反射，射入折射望远镜1内，并由反射镜片13反射至光学信号处理***6，接收光束反射进入光学信号处理***6，首先经过采集透镜60，然后被分束透镜61分散成相互垂直的两条分光束，其中一条光束经第一末端透镜62后到达第一光电倍增管64，另一条光束经第二末端透镜63后到达第二光电倍增管65；信号处理***5的小信号运放***50对第一光电倍增管64和第二光电倍增管65转换的微弱小电信号进行滤波和放大，然后利用高速采集组件51进行信号采集；期间控制***45用于对扫描***4和取证***3进行精准控制和数据读取。
软件的使用流程为：当启动软件21后，对***的硬件进行初始化，比如采集箱，ups，采集卡和激光发生器14。然后弹出软件界面。软件界面弹出后，点击开始采集按钮，激光发生器14出光，高速采集组件51同时采集数据，当采集完设定的脉冲数后，激光发生器14停止出光，然后保存数据并绘图。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上述实施例用于对本发明作进一步的说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应理解为在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***，其特征在于：包括收发***、显示***、取证***、扫描***、信号处理***以及光学信号处理***；所述收发***、显示***、信号处理***和光学信号处理***均位于壳体内，所述扫描***包括水平旋转箱、垂直旋转箱和连动杆，所述水平旋转箱通过水平旋转***与壳体活动连接，所述垂直旋转箱通过垂直旋转***与水平旋转箱活动连接，所述连动杆的一端与垂直旋转***连接，所述取证***通过另一垂直旋转***与连动杆的另一端连接；所述收发***包括折射望远镜、扩束器、遮光管以及反射镜片；所述扩束器位于折射望远镜内部并且与折射望远镜同轴设置，所述扩束器的一端与折射望远镜的一端相平齐；所述遮光管位于折射望远镜内部并且与折射望远镜同轴设置，所述遮光管与扩束器连接，所述遮光管远离扩束器的一端与折射望远镜的另一端相平齐，所述反射镜片倾斜设置于折射望远镜的内壁，所述折射望远镜远离扩束器的一端设置有激光发生器，所述激光发生器的激光发射端与遮光管的位置相对应；所述取证***包括远距离高清摄像头、激光照明***、低照度高清摄像机以及自动聚焦***；所述远距离高清摄像头包括第一变焦透镜和变倍透镜，所述激光照明***包括第二变焦透镜，所述低照度高清摄像机包括CMOS图像传感器，所述自动聚焦***包括电机驱动器、DSP控制器、第一变焦电机、变倍电机以及第二变焦电机，所述电机驱动器分别与第一变焦电机、变倍电机、第二变焦电机以及DSP控制器电性连接，所述CMOS图像传感器与DSP控制器电性连接，所述第一变焦电机的输出端与第一变焦透镜机械连接，所述变倍电机的输出端与变倍透镜机械连接，所述第二变焦电机的输出端与第二变焦透镜机械连接；所述水平旋转箱与收发***同轴设置，所述光学信号处理***与收发***的位置相配合；所述信号处理***与光学信号处理***电性连接，所述信号处理***包括小信号运放***和高速采集组件，所述高速采集组件包括高速采集卡。
2.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***，其特征在于：所述显示***包括工控机和安装在工控机内的软件，所述软件包括激光器控制模块、采集箱控制模块、采集卡控制模块、UPS模块、通信模块、数据处理模块、绘图模块、设置模块以及日志模块。
3.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***，其特征在于：所述扫描***还包括控制***，所述控制***位于壳体内，所述水平旋转箱和垂直旋转箱内均设置有扫描反射镜，所述垂直旋转箱远离水平旋转箱的一端设置有除凝露***和出射接收窗口。
4.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达***，其特征在于：所述光学信号处理***包括采集透镜、分束透镜、第一末端透镜、第二末端透镜、第一光电倍增管以及第二光电倍增管；所述采集透镜、分束透镜、第一末端透镜以及第一光电倍增管呈直线型依次布置，所述分束透镜、第二末端透镜以及第二光电倍增管呈直线型依次布置，所述采集透镜与收发***末端侧面光线射出的位置处相对应。
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