CN105005037A - 基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达 - Google Patents

Abstract

基于嵌入式系统的激光雷达系统，同时集成嵌入式板卡、光电探测单元、GPS、电子罗盘等、所有单元被集成于IP65防护等级的雷达外壳中，嵌入式板卡读取采集配置信息并发送采集指令，温度控制模块判断雷达温度是否在工作温度范围内，如果超出工作温度范围，温度控制模块开始工作，直到雷达在特定温度范围内，开启光电探测单元，对大气气溶胶进行探测，大气气溶胶回波光子数被多道光子计数器采集，GPS模块获取地理位置信息，电子罗盘获取方位交信息，环境参数监控单元获取雷达环境参数，光子数数据、地理数据与方位角数据以及环境参数数据经嵌入式板卡机读取，并存储在数据存储单元中，数据传输模块将采集的数据通过有线或无线的方式传输到数据中心，本发明中的在线监测激光雷达作为空气在线监测仪器，开机自动工作，数据自动传输，户外全天候运行。

Description

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达

技术领域

此发明的应用领域为环境监测领域，监测大气气溶胶粒子如尘、灰霾、云等，获得大气气溶胶粒子消光系数、边界层高度、云底高度、气溶胶光学厚度等大气环境参数。

背景技术

激光雷达是利用激光遥感技术，以激光作为光源，通过发射天线对激光进行准直扩束，发射到大气中，激光与大气气溶胶粒子相互作用，被散射与吸收，后向散射信号被激光雷达接收光学天线接收，通过反演算法得到大气分子和气溶胶粒子的信息。

激光雷达可以获得高空大气气溶胶粒子的信息，是灰霾监测与预警不可缺少的技术手段，目前环境监测激光雷达发展迅速，但在已公开专利或文献中，尚未看到能够进行在线监测与数据实时传输的激光雷达报道，已经公开的相关专利文献中，描述的激光雷达一般用于科学研或究实验室监测，只能单机运行，数据集成传输困难，如中国的一项发明CN100360957C（公开日2008.01.09）实现了连续自动无人值守探测，但是该发明需要外置主控计算机，这就决定了数据传输无法像在线监测仪器那样方便，体积庞大，无法户外独立运行，另一个中国的发明CN201527471U（公开日2010.07.14），该发明描述了一种将激光雷达电源模块、工业控制计算机模块、数据采集模块、多光束分束等模块放入一个机柜中，实现小型化与模块化设计，同样是简单结构的整合，同样适用了工业控制计算机，无法实现高度集成、数据在线传输。归纳一下现有激光雷达的不足：首先是系统复杂、体积庞大、限制了应用区域；其次是对安装环境要求高，需要为激光雷达建立站房，这就增加了使用成本，第三是所有的激光雷达都是实验室分析仪器，数据无法现在传输到数据中心，无法实现在线监测，限制了激光雷达大范围联网在线监测。

本发明专利中设计了基于嵌入式系统的激光雷达系统，采用了嵌入式板卡，这是与其他专利的根本区别。嵌入式板卡、光电探测单元、数控采集单元等所有单元被集成于IP65防护等级的雷达外壳中，数据传输单元以无线或有线方式将数据传输到数据中心，通过互联网，利用客户端软件查看、控制雷达运行，本发明专利中的在线监测激光雷达可以作为空气在线监测遥感仪器，开机自动工作，数据自动传输，户外全天候运行。

发明内容

为了克服常规气溶胶监测激光雷达的上述缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高集成度、高可靠性、可在线工作的气溶胶监测激光雷达。

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，主要由光电探测分系统、数控采集分系统、温度控制单元、位置姿态监控单元、电源、扫描单元组成，其中光电探测分系统包括激光源、发射光学天线、接收光学天线、空间滤波器、窄带滤光片、偏振模块、单光子探测器；数控采集分系统包括多道光子计数器、嵌入式板卡、数据存储单元、数据传输单元；位置姿态监控单元由GPS模块、电子罗盘组成；温度控制单元为雷达提供工作环境保障；环境监控单元记录雷达外部环境温度、湿度、气压信息；雷达外壳为IP65防护等级；电源安装在外壳内部，为其他单元供电。

除了环境监控单元，以上各单元全部安装于雷达外壳中构成雷达主机，雷达主机连接GPS天线接收地理位置信号，温度控制单元控制雷达工作温度，雷达主机后面板连接电源线，数据线,雷达外壳安装数据传输天线，电源线连接外部电源为雷达供电，雷达监测数据可通过有线或无线进行传输。

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，所述的光电探测分系统中，激光源后安装光学发射天线，光学发射天线为伽利略望远镜结构，激光束与光学发射天线中心同轴，接收光学天线为卡塞格林式望远镜，主镜焦点处安装空间滤波器，滤波器后依次安装准直器、窄带滤光片、偏振模块、单光子探测器，光电信号被数控采集分系统的多道光子计数器采集，多道光子计数器通过USB线缆与嵌入式板卡连接。位置姿态单元中的GPS模块安装于激光雷达外壳内，一端通过同轴电缆与GPS天线连接，另一端通过RS232与嵌入式板卡连接，电子罗盘安装于望远镜上，可以获取方位信息，电子罗盘通过RS232与嵌入式板卡连接，数据存储单元通过SATA数据线与嵌入式板卡连接，温度控制单元安装在后面板上，实时控制仪器内部工作温度。

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，雷达主机安装在固定支架上实现固定观测模式；如果安装在二维云台构成雷达扫描模式，进行水平或垂直以及三维扫描，从而实现雷达对大气气溶胶垂直剖面或水平剖面以及立体空间的监测，获取的数据通过数据传输单元传输到数据中心，从而实现对大气气溶胶的在线监测。

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其发射光学天线为三片镜组成的望远系统，其口径为45mm。各透镜镀532nm增透膜，双面反射率<1%。

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其光学接收天线的焦距为1200mm，口径为160mm，主镜与次镜镀高反射介质膜，反射率>99%。

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，发射光学天线与接收光学天线连接在一起成为一整体，发射光通过折转镜实现发射光轴与接收光轴同轴，两轴的安装误差<0.02mrad。

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其嵌入式板卡预装操作系统，安装雷达控制采集后台软件，开机自动运行，嵌入式板卡处理器频率为1.8GHz，缓存为4GB，嵌入式板卡有USB2.0、RS232、TCP/IP接口。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达的工作流程图。

图3为图基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达垂直观测结果。

图4为基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达水平扫描结果。

主要元器件符号说明： 1-激光源 2-发射光学天线 3-准直镜 4-窄带滤光片 5-偏振模块 6-单光子探测器 7-多道光子计数器 8-GPS模块 9-嵌入式板卡 10-电子罗盘 11-电源 12-数据传输单元13-温度控制单元 14-接收光学天线 15-扫描单元 16-外壳 17-折转镜18-中心反射镜 19-空间滤波器 20-数据存储单元 21-GPS天线 22-数据传输天线 23-环境参数监控单元。

具体实施方式

图1为本发明的结构框图，基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，主要由光电探测分系统、数控采集分系统、温度控制单元13、电源11、外壳16、环境参数监控单元23、扫描单元15组成；其中光电探测分系统、数控采集分系统、位置姿态监控单元、温度控制单元13、电源11全部安装于外壳16内，环境参数监控单元23安装在外壳外部，扫描单元 15与外壳16连接，可以驱动外壳16水平或垂直扫描。

光电探测分系统包括激光源1、发射光学天线2、接收光学天线14、折转镜17、中心反射镜18、空间滤波器19、窄带滤光片4、准直镜3、偏振模块5、单光子探测器6，发射光学天线2与接收光学天线14连接在一起，发射光通过折转镜17、中心反射镜18的反射，使得发射光轴与接收光轴同轴，两轴的安装误差<0.02mrad，光电探测分系统所有部件通过机械装置刚性连接在一起，成为一个整体。

数控采集分系统包括多道光子计数器7、嵌入式板卡9、数据存储单元20、数据传输单元12，多道光子计数器7通过USB2.0接口与嵌入式板卡9连接，数据存储单元通过SATA数据线与嵌入式板卡连接，数据传输单元12与嵌入式板卡9通过PCIE接口连接，数据传输天线22与数据传输单元12通过BNC线缆连接。

位置姿态监控单元由GPS模块8、电子罗盘10组成，电子罗盘10与GPS分别通过RS232与嵌入式板卡9连接，GPS天线21通过BNC线缆与GPS模块8连接。

温度控制单元13安装在外壳16上，电源11与单光子探测器6、温度控制单元13、嵌入式板卡9、数据传输单元12通过线缆连接。

环境参数监控单元23安装于外壳外部，通过数据线与嵌入式板卡连接，实时监控仪器外部环境参数，为反演消光系数提供环境参数。

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其工作方式有两种，一种固定式监测，其工作流程为：嵌入式板卡9读取采集配置信息并发送采集指令，温度控制模块11判断雷达温度是否在工作温度范围内，如果超出工作温度范围，温度控制单元11开始工作，直到雷达工作温度在正常范围内，开启激光源1与单光子探测器7，激光源1发射光束经光学发射天线2发射到大气中，激光束被大气气溶胶粒子散射与吸收，后向散射信号被光学天线14接收，经过空间滤波器19滤波，窄带滤光片4滤除噪声光，经过偏振模块5分光后，被单光子探测器6接收，光学信号转换成电信号，多道光子计数器7采集，GPS模块21获取地理位置信息，电子罗盘10获取方位信息，环境参数监控单元23获取雷达环境参数，多道光子计数器7完成一次采集后，光子数数据、地理数据与方位角数据以及环境参数数据经嵌入式板卡9读取，并存储在数据存储单元20中，数据传输模块12将采集的数据通过有线或无线的方式传输到数据中心，多道光子计数器6继续采集，数据连续存储与传输，直到收到嵌入式板卡9的停止指令，多道光子计数器7停止工作，关闭单光子探测器6，关闭激光源1，仪器停止工作。

基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其第二种工作方式为扫描模式：嵌入式板卡9读取采集配置信息并发送采集指令，温度控制单元11判断雷达温度是否在工作温度范围内，如果超出工作温度范围，温度控制模11块开始工作，直到雷达工作温度在正常范围内，扫描单元15旋转到设定的起始角度，开启激光源1与单光子探测器6，激光源1发射光束经光学发射天线2发射到大气中，激光束被大气气溶胶粒子散射与吸收，后向散射信号被光学天线14接收，经过空间滤波器19滤波，窄带滤光片4滤除噪声光，经偏振模块5，变成两路光信号，分别被单光子探测器6接收，光学信号转换成电信号，被多道光子计数器7采集，GPS模块8获取地址信息，电子罗盘10获取方位交信息，环境参数监控单元23获取雷达环境参数，光子计数器7完成一次采集后，光子数数据、地理数据与方位角数据以及环境参数数据据经嵌入式板卡9读取，并存储在数据存储单元20中，数据传输模块12将采集的数据通过有线或无线的方式传输到数据中心，完成一个方位的采集，扫描单元15旋转到第二个角度，多道光子计数器7继续采集，重复以上步骤，直到所有角度的采集完成，扫描装置重新回到起始角度，进行下一次扫描，直到嵌入式计算机10的发送停止指令，多道光子计数器7停止工作，关闭探测器6，关闭激光源1，仪器停止工作。

图2为本发明基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达的工作流程图，本系统中的数控采集分系统可以实现对其他各分系统的控制、数据的采集、设备姿态的采集、数据在线实时传输，从而实现在线监测，开机后设备启动自检程序，首先判断是否在正常的工作温度范围内，如果是，则设备进行下一个步骤，如果温度不在设定的范围内，则温度控制单元开启工作，直到设备温度在工作范围内， 然后判断各个单元是否正常工作，如果否，系统报警并停止工作，如果正常则读取雷达配置参数，开始采集，数据实时存储、并实时传输到数据中心，同时判断采集是否结束，如果没有结束则系统需要返回自检步骤，重复采集，如果采集结束，关闭各个单元，结束采集。

图3为基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达垂直监测消光系数结果，从图上可以看出，2014年1月17日00:00到04:00消光系数非常大，一度达到4.3/km，边界层高度从343米到515米，04:00以后近地面气溶胶粒子浓度逐渐变小，而高空气溶胶粒子浓度还有一部分残留，且边界层高度上升到1000米，从10:00开始,近地面到高空气溶胶粒子浓度都有所减少，为0.3/km，从图中可以看出，10:00以后边界层抬升的过程中，变成两层，第一层为1000米左右，第二层为1600米左右。

图4 为基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达水平扫描结果，2014年1月8日，在GIS地图上实时显示可视化监测数据，圆圈处为一烟囱，烟囱的排放烟尘扩散成3千米左右，形成一斜条带区域（图中右下）。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施方式，凡熟悉此专业的人士，在了解本发明的技术手段之后，自然能够以及实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围内作同等变化，都应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (11)

1.基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，包含嵌入式板卡、数据传输单元、GPS模块、电子罗盘、多道光子计数器、光电探测单元、温度控制单元、电源、外壳、扫描单元；

所述的嵌入式板卡、GPS模块、电子罗盘、多道光子计数器、光电探测分系统、温度控制单元、电源、数据传输单元全部安装于外壳内；所述的扫描单元与外壳连接。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，所述的嵌入式板卡预装操作系统，安装雷达控制采集后台软件，开机自动运行，嵌入式板卡处理器频率为1.8GHz，缓存为4GB，嵌入式板卡有USB2.0、RS232、TCP/IP接口。

3.根据权利要求2所述的基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，所述的数据传输单元具有无线与有线两种功能，数据传输单元通过PCIE与嵌入式板卡连接，数据传输单元配有天线，天线与数据传输单元通过同轴线缆连接，天线安装于雷达外壳外部。

4.根据权利要求3所述的基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，所述的GPS模块、其特征在于，GPS模块通过RS232与嵌入式板卡连接，并过同轴电缆与GPS天线连接。

5.根据权利要求4所述的电子罗盘，其特征在于，电子罗盘与发射光学天线光轴成45〫角，通过RS232与嵌入式板卡连接。

6.根据权利要求5所述的基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，所述的多道光子计数器通过USB2.0与嵌入式板卡连接，通过同轴电缆与单光子计数器连接。

7.根据权利要求6所述的基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，所述的光电探测分系统由激光源、发射光学天线、接收光学天线、折转镜、中心反射镜、空间滤波器、窄带滤光片、准直镜、偏振模块、单光子探测器构成，发射光学天线、与接收光学天线连接在一起，发射光通过折转镜使发射光轴与接收光轴同轴，两轴的安装误差<0.02mrad，光电探测分系统所有部件通过机械装置刚性连接在一起，成为一个整体。

8.根据权利要求7所述的基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，所述的外壳可以用于户外工作，IP65防护等级。

9.根据权利要求8所述的基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，所述的扫描单元可以水平与垂直扫描，水平扫描范围0-360〫，垂直扫描范围0-90〫，角度分辨率0.1〫。

10. 根据权利要求9所述的基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，所述的电源通过线缆与单光探测器、激光源、嵌入式板卡、温度控制单元、数据传输单元供电，所述的温度控制单元，具有制冷与加热功能，功率为192W。

11.根据权利要求1至10种任一所述的基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其特征在于，所述的外壳上安装有温度湿度气压传感器，记录环境参数。