CN109541640A - 一种全方位全角度的气溶胶激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，包括雷达主机和转动机构，所述雷达主机固接转动机构；所述雷达主机包括安装底座，所述安装底座上分别固接有光学机构和激光器，所述光学机构包括望远镜前窗片、反射镜固定座、凸面反射镜和凹面反射镜，所述凸面反射镜位于望远镜前窗片和凹面反射镜之间，并由反射镜固定座固定；所述沿激光器发射方向依次设有准直镜、平面反射镜一和平面反射镜二；所述凹面反射镜的中心位置为通孔，所述凹面反射镜的焦点F位于通孔后端的PMT上；所述PMT信号连接数据处理与分析***和控制***。本发明由于其方位及角度可以调整，因此能够有效消除盲区，扩大监测范围。
Description
技术领域
本发明涉及高空空气质量监测领域，尤其涉及一种全方位全角度的气溶胶激光雷达。
背景技术
气溶胶是悬浮在空气中的固体或液体小质点，分为烟、雾和灰尘，是天空中雾霾的重要组成部分，对人类的健康有很大的危害。是国家环保部门重点监控的污染物。
激光雷达作为一种探测大气光学参数的主动遥感设备，具有方向性好，时空分辨率高，可连续观测的优点，已经被广泛应用于探测对流层或平流层的颗粒物浓度廓线。其工作原理是：由激光器所产生的激光为光源垂直发射到大气中，并与大气成分相互作用，产生物理、化学及光学信息等辐射信号，此辐射信号是反演大气成分相关信息的主要依据。由于激光器所产生的激光垂直发射到大气中，对其产生的回波信号进行采集与分析。也就是说一个雷达只能探测雷达所处位置正上方的空气质量状况，使得雷达具有很大的盲区，严重影响探测效率和监测效果。
目前也有少量解决上述问题的方案，比如公开号为CN107688171A的激光雷达消除盲区的方法，包括接收***至少具有第一接收***和第二接收***，所述第一接收***和第二接收***之间具有偏转角度。通过合理设置两个接收***的偏转角度消除激光雷达***的测量盲区。该方案还是无法消除所有盲区，且由于增加了一套接收***，不仅结构复杂且具有诸多限制。
又比如公开号为CN108693088A的一种高精度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。但是显然该方案不仅***庞大且还是具有盲区的存在。
发明内容
本发明的目的是解决现有气溶胶激光雷达的盲区问题，提供一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，从而消除盲区，提高雷达的探测效率。
本发明采用的技术方案是：一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，包括雷达主机和转动机构，所述雷达主机固接转动机构；所述雷达主机包括安装底座，所述安装底座上分别固接有光学机构和激光器，所述光学机构包括望远镜前窗片、反射镜固定座、凸面反射镜和凹面反射镜，所述凸面反射镜位于望远镜前窗片和凹面反射镜之间，并由反射镜固定座固定；所述沿激光器发射方向依次设有准直镜、平面反射镜一和平面反射镜二；所述凹面反射镜的中心位置为通孔，所述凹面反射镜的焦点F位于通孔后端的PMT上；所述PMT信号连接数据处理与分析***和控制***。
作为本发明的进一步改进，所述转动机构包括支撑腿，所述支撑腿的顶部固接转动轴一和转动轴二，所述转动轴一连接传动齿轮一，所述转动轴二连接传动齿轮二，所述传动齿轮二齿轮连接传动齿轮一；所述支撑腿的底部固接转盘，所述转盘通过传动齿轮四、传动齿轮三齿轮连接转动轴三，所述转动轴的顶部固接手轮，其下部通过轴承一固接轴承座一；所述传动齿轮四通过轴承二和轴承座二相连。
作为本发明的进一步改进，所述转动轴一通过键一键连接传动齿轮一，所述转动轴二通过键二键连接传动齿轮二，所述转动轴三通过键三键连接传动齿轮三。
作为本发明的进一步改进，所述转盘、转动轴三、轴承一、轴承座一、轴承二、轴承座而、传动齿轮三和传动齿轮四位于底座内。
作为本发明的进一步改进，所述转动轴二连接手轮。
作为本发明的进一步改进，所述准直镜通过准直镜固定座与安装底座相连，所述平面反射镜一通过固定座和安装底座相连，所述平面反射镜二固接反射镜固定座。
作为本发明的更进一步改进，所述激光器、准直镜和平面反射镜一位于保护罩内。
作为本发明的更进一步改进，所述激光器为Nd:YAG激光器。
本发明采用的有益效果是：本结构的气溶胶激光雷达实现以雷达为中心对半径为10km范围内的任意方向进行探测，且无需移动雷达的位置；提高了雷达的利用率和探测效率；减少了雷达布点数量，降低了成本。本发明由于其方位及角度可以调整，因此能够有效消除盲区，扩大监测范围。
附图说明
图1为本发明的雷达主机示意图。
图2为本发明的转动机构示意图。
图中所示：1 大气中非球形粒子，2 大气中球形粒子，3 望远镜前窗片，4 平面反射镜，5 反射镜固定座，6 凸面反射镜，7 凹面反射镜，8 PMT，9 焦点F，10 数据处理与分析***，11 控制***，12 保护罩，13 激光器，14 安装底座，15 准直镜固定座，16 准直镜，17平面反射镜一，18 平面反射镜一固定座，19 雷达主机，20 传动齿轮一，21 传动轴一，22键一，23 键二，24 转动轴二，25 传动齿轮二，26 支撑腿，27 转盘，28 手轮，29 转动轴三，30 键三，31 传动齿轮三，32 底座，33 轴承一，34 轴承座一，35 轴承座二，36 传动齿轮四，37 轴承二。
具体实施方式
下面结合图1和图2，对本发明做进一步的说明。
如图所示，一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，包括雷达主机19和转动机构，所述雷达主机19固接转动机构；所述雷达主机19包括安装底座14，所述安装底座14上分别固接有光学机构和激光器13，所述光学机构包括望远镜前窗片3、反射镜固定座5、凸面反射镜6和凹面反射镜7，所述凸面反射镜6位于望远镜前窗片3和凹面反射镜7之间，并由反射镜固定座5固定；所述沿激光器13发射方向依次设有准直镜16、平面反射镜一17和平面反射镜二4；所述凹面反射镜7的中心位置为通孔，所述凹面反射镜7的焦点F位于通孔后端的PMT上；所述PMT信号连接数据处理与分析***10和控制***11。
球形粒子后向散射为线性偏振，非球形粒子则不再是线偏振光，而是由平行和垂直的两个偏振分量，如沙尘和卷云，通过这两个分量并可测量粒子的退偏振特性。其通用公式为：
式中，λ为所发射的激光波长（nm）；下标p与s分别表示后向散射光偏振方向与发射激光偏振方向平行及垂直的两个方向；Pzp(z,)及Pzs(z,λ)分别表示激光雷达接收***所接收的高度（距离）为z处的大气介质在波长λ上的后向散射的平行偏振分量及垂直偏振分量的回波功率（W）；Pt（）是波长为λ的激光发射功率（W）；βp(z,λ)及βs(z,λ)分别是高度（距离）为z处的大气介质在波长λ上的后向散射系数的平行偏振分量及垂直偏振分量（km-1•sr-1）；kp及ks都表示雷达***常数（W•km3•sr）,前者代表平行偏振分量值，后者代表垂直偏振分量值；p(z,)及s(z,)分别是高度（距离）在z处大气在波长λ上的消光系数的平行偏振分量及垂直偏振分量(km-1)；Prp(z,)和Prs(z,)分别为从望远镜到距离z处各大气分子后向散射的回波功率的平行与垂直的两个偏振分量；δ(z,)为大气退偏振比。
其光学路径为：激光器16发光→平面反射镜17→平面反射镜4→大气中球形粒子2和大气中非球形粒子1→凹面反射镜7→凸面反射镜6→焦点F→PMT。
转动机构包括支撑腿26，所述支撑腿26的顶部固接转动轴一21和转动轴二24，所述转动轴一21连接传动齿轮一20，所述转动轴二24连接传动齿轮二25，所述传动齿轮二25齿轮连接传动齿轮一20；所述支撑腿26的底部固接转盘27，所述转盘27通过传动齿轮四36、传动齿轮三31齿轮连接转动轴三29，所述转动轴三29的顶部固接手轮28，其下部通过轴承一33固接轴承座一34；所述传动齿轮四36通过轴承二37和轴承座二35相连。
手轮依次带动传动轴二24、传动齿轮二25、传动齿轮一20、传动轴一21转动，而传动轴一与雷达主机19是刚性连接，所以转动手轮便可使雷达主机在垂直平面内进行旋转，实现雷达主机19在垂直平面内0到180︒内任意调整角度与旋转。
手轮依次带动传动齿轮三31、传动齿轮四36在水平面内转动。而支撑腿26和转盘27均与传动齿轮四36通过紧固件刚性连接，同时与雷达主机19刚性连接的传动轴一21则由支撑腿26支撑。因此，雷达主机也随支撑腿在水平内旋转，从而实现雷达主机在水平面内进行0到360︒方向旋转。
为保护转动机构，使得整个设备能够长期稳定的运行，转盘27、转动轴三29、轴承一33、轴承座一34、轴承二37、轴承座而35、传动齿轮三31和传动齿轮四36位于底座32内。
为确保整个设备能够长期稳定的运行，确保雷达监测的效果，所述准直镜16通过准直镜固定座15与安装底座14相连，所述平面反射镜一17通过固定座18和安装底座14相连，所述平面反射镜二4固接反射镜固定座5。
为保证本发明的高效长期稳定的工作，所述激光器13、准直镜16和平面反射镜一17位于保护罩12内。
为保证本发明的测量的准确性和有效性，所述激光器为Nd:YAG激光器。
本结构的气溶胶激光雷达实现以雷达为中心对半径为10km范围内的任意方向进行探测，且无需移动雷达的位置；提高了雷达的利用率和探测效率；减少了雷达布点数量，降低了成本。本发明由于其方位及角度可以调整，因此能够有效消除盲区，扩大监测范围。
本领域技术人员应当知晓，本发明的保护方案不仅限于上述的实施例，还可以在上述实施例的基础上进行各种排列组合与变换，在不违背本发明精神的前提下，对本发明进行的各种变换均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，其特征是包括雷达主机（19）和转动机构，所述雷达主机（19）固接转动机构；所述雷达主机（19）包括安装底座（14），所述安装底座（14）上分别固接有光学机构和激光器（13），所述光学机构包括望远镜前窗片（3）、反射镜固定座（5）、凸面反射镜（6）和凹面反射镜（7），所述凸面反射镜（6）位于望远镜前窗片（3）和凹面反射镜（7）之间，并由反射镜固定座（5）固定；所述沿激光器（13）发射方向依次设有准直镜（16）、平面反射镜一（17）和平面反射镜二（4）；所述凹面反射镜（7）的中心位置为通孔，所述凹面反射镜（7）的焦点F（9）位于通孔后端的PMT（8）上；所述PMT（8）信号连接数据处理与分析***（10）和控制***（11）。
2.根据权利要求1所述的一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，其特征是所述转动机构包括支撑腿（26），所述支撑腿（26）的顶部固接转动轴一（21）和转动轴二（24），所述转动轴一（21）连接传动齿轮一（20），所述转动轴二（24）连接传动齿轮二（25），所述传动齿轮二（25）齿轮连接传动齿轮一（20）；所述支撑腿（26）的底部固接转盘（27），所述转盘（27）通过传动齿轮四（36）、传动齿轮三（31）齿轮连接转动轴三（29），所述转动轴三（29）的顶部固接手轮（28），其下部通过轴承一（33）固接轴承座一（34）；所述传动齿轮四（36）通过轴承二（37）和轴承座二（35）相连。
3.根据权利要求2所述的一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，其特征是所述转动轴一（21）通过键一（22）键连接传动齿轮一（20），所述转动轴二（24）通过键二（23）键连接传动齿轮二（25），所述转动轴三（29）通过键三（30）键连接传动齿轮三（31）。
4.根据权利要求2所述的一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，其特征是所述转盘（27）、转动轴三（29）、轴承一（33）、轴承座一（34）、轴承二（37）、轴承座而（35）、传动齿轮三（31）和传动齿轮四（36）位于底座（32）内。
5.根据权利要求2所述的一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，其特征是所述转动轴二（24）连接手轮。
6.根据权利要求1所述的一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，其特征是所述准直镜（16）通过准直镜固定座（15）与安装底座（14）相连，所述平面反射镜一（17）通过固定座（18）和安装底座（14）相连，所述平面反射镜二（4）固接反射镜固定座（5）。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，其特征是所述激光器（13）、准直镜（16）和平面反射镜一（17）位于保护罩（12）内。
8.根据权利要求7所述的一种全方位全角度的气溶胶激光雷达，其特征是所述激光器为Nd:YAG激光器。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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