CN105572686A - 一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统 - Google Patents

一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种移动式区域颗粒物立体遥测系统，包括车载供电单元、激光发射单元、后继光学接收单元和信号采集与控制单元、GPS跟踪定位单元。车载供电单元提供电力支持。工控机控制激光器出光，激光经扩束镜扩束后经过三片反射镜反射后穿透窗口玻璃后发射到大气中，激光束与大气气溶胶、云、气体分子相互作用后产生的后向散射光经过大气衰减后由后继光路接收单元接收，并由信号采集与控制单元进行数据采集和存储。GPS跟踪定位单元获得每条测量数据的实时经纬度，并跟踪记录移动车车速。本发明通过对颗粒物立体分布的移动式监测，研究颗粒物区域分布特征，确定颗粒物来源，追踪颗粒物扩散路径，结合风场信息研究城市跨界输送通量和闭环输送通量。

Description

一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统
技术领域
本发明涉及一种光学遥测系统，具体涉及一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统。
背景技术
随着我国大规模工业的发展，形成了区域化的城市群，如京津冀城市群、长江三角洲城市群、珠江三角洲城市群，在城市群带来经济繁荣的同时，灰霾污染事件频发，并且呈现出复合型和区域化的污染特征。灰霾的生成、发展、扩散、下沉、消散等过程是在整个边界层内发生的，因此，采用一种高时间分辨率和高空间分辨率的移动式定量探测技术对城市灰霾污染进行测量和光学-微物理特征参数分析对灰霾研究具有格外重要的意义。
激光雷达技术具有高时空分辨率、原位测量、实时监测等优点，已经成为研究灰霾问题的强有力工具。单个站点的激光雷达虽然也能测量一个地点的颗粒物垂直分布特征和时间分布特征，但是无法反映颗粒物的区域分布特征，无法对颗粒物的来源进行准确定位，无法实现对颗粒物扩散路径进行有效追踪，不能实现城市跨界输送通量和闭环通量的估算。国内虽然也研制出相应的车载激光雷达系统，但通常是将车载激光雷达系统固定测量，限于车载供电系统，车载激光雷达系统结构抗震性和快速移动造成信号信噪比低等因素的影响，没有实现车载激光雷达系统的移动式观测，没有真正实现区域颗粒物时空分布的移动立体监测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，实现对颗粒物区域立体分布的快速移动监测，实现对颗粒物来源、扩散路径的有效追踪，估算城市跨界输送通量和闭环通量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，包括车载供电单元、激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元和GPS跟踪定位单元；所述车载供电单元包括供电电池组、UPS电源；所述的激光发射单元包括高频激光器、消色差扩束镜、三组反射镜，三组反射镜分别包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，高频激光器、消色差扩束镜、第一反射镜紧锁在一块光学平板上，光学平板水平固定在系统框架上；所述后继光学接收单元包括接收望远镜、小孔光阑、消色差透镜、直角棱镜、355nm反射镜、尼克尔棱镜、532nm反射镜、以及用于三路回波信号滤波的窄带滤光片和用于三路回波信号光电转换的光电倍增管；所述信号采集与控制单元包括前置放大器、数据采集卡、工控机，所述数据采集卡采用PCI接口，放置于工控机内部；所述GPS跟踪定位单元通过数据线与工控机连接，用于跟踪记录每个测量点的经纬度，并实时记录当前车移动的速度。
由工控机通过串口发送命令控制高频激光器出光，激光经消色差扩束镜扩束后经第一片反射镜反射后由水平状态转为垂直发射到空中，第二片反射镜和第三片反射镜将激光束由离轴形式转变为激光雷达的同轴结构，激光束穿透密封镜窗垂直射向大气中，激光束与大气气溶胶、云、气体分子相互作用后产生的后向散射光由接收望远镜接收后，汇聚于小孔光阑内，被凸面镜准直后并经过直角棱镜后的355nm回波信号经过355nm反射镜反射后经由窄带滤光片滤除白噪声的干扰到达光电倍增管转换为电流信号，532nm回波信号透过355nm反射镜并通过尼克尔棱镜分为两束线偏振光经窄带滤光片后分别被相应的光电倍增管接收并转换为电流信号，三路电流信号经前置放大器放大并转换为电压信号被数据采集卡采集，并由工控机进行数据的显示和存储。工控机解析获得颗粒物垂直分布信息，GPS跟踪定位单元获得每个测量点上的经纬度信息，工控机将测量点上的颗粒物光学参数与经纬度信息叠加获取颗粒物的区域立体分布信息。在结束测量时，工控机控制关闭高频激光器输出，依次关闭放大器、UPS电源、供电电池组。在系统连续测量过程中，工控机通过UPS电源不间断监测供电电池组的输入状态，若供电电池组的保持正常供电，则系统循环工作；若供电电池组的输入状态出现异常，为了防备供电电池组的输入状态只是短暂的异常，或者只是供电电池组的电压波动造成的，因此，在检查发现供电电池组供电状态异常的情况下，等待1～2分钟后再次检查供电电池组供电状态是否正常，若供电电池组输入状态正常，则系统继续循环工作，若供电电池组供电状态仍然异常，则关闭高频激光器，并预设3-5分钟后关闭UPS电源，在关闭高频激光器后，关闭工控机，UPS电源会在3-5分钟后关闭。
其中，UPS电源采用在线式架构、正弦波输出，UPS电源可以解决市电高压、市电低压、电压瞬态跌落、电压波动、浪涌电压电源问题，在断电情况下，能维持5～10分钟的正常输出，提供RS-232串口，通过S-232串口对UPS电源控制。
其中，GPS跟踪定位单元与工控机相连，工控机在采集回波信号的同时，记录当前的经纬度信息，并实施记录车的移动速度，做到了颗粒物时空分布与经纬度、交通拥堵量的精确映射关系。
其中，激光发射单元整体核心部件高频激光器、消色差透镜紧锁在一块光学平板上面，光学平板水平固定在系统框架上，在快速运动和颠簸的工作环境下，起到了保护高频激光器的目的和抗震的效果。
其中，接收望远镜采用了纯正的Richey-Chre'tien双曲面主、次镜结构，同时消除了球差和彗差，并且主、次镜采用最优的低热膨胀系数石英玻璃，辅以高强度、低膨胀系数镜筒，主镜牢牢固定在后端基座上，次镜经过光轴校准后固定不动；接收望远镜主次镜镀介质膜，具有99％的极高反射率，接收望远镜口径大于等于200mm。
其中，后继光学接收单元中的355nm反射镜、尼克尔棱镜、532nm反射镜、以及用于三路回波信号滤波的窄带滤光片和光电转化的光电倍增管采用了三通道分光结构模式，每个信号通道使用挡板进行隔离，为了避免杂散光的影响，采用盲板进行空间的密封，水平放置并紧锁于一块光学平板上。
其中，整个系统统一固定在一个框架内，框架底部为抗震垫，适应快速移动和颠簸的系统工作环境。
其中，系统能够快速获取颗粒物立体分布，持续巡航时间达到10小时及以上，时间分辨率最高至10秒，能够获得探测距离为5km范围内的颗粒物时空分布信息。
本发明与现有技术相比的有益效果：
通过本发明的移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，可以实现在移动平台上获取区域颗粒物的水平、垂直分布状况，研究区域颗粒物水平分布和交通拥堵量的定量关系，跟踪颗粒物扩散路径，研究城市跨界输送通量和闭环输送通量，研究颗粒物输送贡献量，为环保部门对区域灰霾时空分布评估提供技术及数据支持，并且可以对卫星数据产品、模型结果进行校验。
附图说明
图1为本发明移动式区域颗粒物立体分布遥测系统图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，包括车载供电单元、激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元和GPS跟踪定位单元；所述车载供电单元包括供电电池组1、UPS电源2；所述的激光发射单元包括高频激光器4、消色差扩束镜5、三组反射镜，三组反射镜分别包括第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8，高频激光器4、消色差扩束镜5、第一反射镜6紧锁在一块光学平板上，光学平板水平固定在系统框架上，在快速运动和颠簸的工作环境下，起到了保护高频激光器的目的和抗震的效果；所述后继光学接收单元包括接收望远镜10、小孔光阑11、消色差透镜12、直角棱镜13、355nm反射镜14、尼克尔棱镜15、532nm反射镜16、以及用于三路回波信号滤波的窄带滤光片和光电转化的光电倍增管，包括用于355nm回波信号滤波的第一窄带滤光片17和用于532nm两路偏振信号滤波的第二窄带滤光片18、第三窄带滤光片19，以及用于355nm回波信号光电转换的第一光电倍增管20，用于532nm两路偏振信号光电转换的第二光电倍增管21、第三光电倍增管22；所述信号采集与控制单元包括前置放大器23、数据采集卡、工控机1，所述数据采集卡采用PCI接口，放置于工控机23内部；所述GPS跟踪定位单元24通过数据线与工控机连接，用于跟踪记录每个测量点的经纬度，并实时记录当前车移动的速度。
本发明工作过程：
首先打开供电电池组开关1，供电电池组1为UPS电源2提供电源、UPS电源2为激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元、GPS跟踪定位单元23提供电源支持；由工控机3通过串口发送命令控制高频激光器4出光，激光经消色差扩束镜5扩束后经第一片反射镜6反射后由水平状态转为垂直发射到空中，第二片反射镜7和第三片反射镜8将激光束由离轴形式转变为激光雷达的同轴结构，激光束穿透密封镜9窗口垂直射向大气中，激光束与大气气溶胶、云、气体分子相互作用后产生的后向散射光由接收望远镜10接收后，汇聚于小孔光阑11内，被凸面镜12准直后并经过直角棱镜13后的355nm回波信号经过355nm反射镜15反射后经由第一窄带滤光片17滤除白噪声的干扰到达第一光电倍增管20转换为电流信号，532nm回波信号透过355nm反射镜并通过尼克尔棱镜14分为两束线偏振光经第二窄带滤光片18和第三窄带滤光片19后分别被第二光电倍增管21和第三光电倍增管22接收并转换为电流信号，三路电流信号经前置放大器23放大并转换为电压信号被数据采集卡采集，并由工控机1进行数据的显示和存储。工控机1解析获得颗粒物垂直分布信息，GPS跟踪定位单元24获得测量点上的经纬度信息。一个循环测量完成后，再进行下一循环测量，并且根据汽车移动不间断测量下去，可获取每个测量点上的颗粒物浓度垂直分布，结合GPS跟踪定位单位24获取的每个测量点上的经纬度信息，可获取区域颗粒物立体分布信息。在结束测量时，工控机3控制关闭高频激光器输出，依次关闭前置放大器23、UPS电源2、供电电池组1。在系统连续测量过程中，工控机3通过UPS电源2不间断监测供电电池组1的输入状态，若供电电池组1的保持正常供电，则系统循环工作；若供电电池组1的输入状态出现异常，为了防备供电电池组1的输入状态只是短暂的异常，或者只是供电电池组1的电压波动造成的，因此，在检查发现供电电池组1供电状态异常的情况下，等待1～2分钟后再次检查供电电池组1供电状态是否正常，若供电电池组1输入状态正常，则系统继续循环工作，若供电电池组1供电状态仍然异常，则关闭高频激光器4，并预设3-5分钟后关闭UPS电源2，在关闭高频激光器4后，关闭工控机3，UPS电源2会在3-5分钟后关闭。
本发明的主要特点如下：
UPS电源采用在线式架构、正弦波输出，UPS电源可以解决市电高压、市电低压、电压瞬态跌落、电压波动、浪涌电压电源问题，在断电情况下，能维持5～10分钟的正常输出，提供RS-232串口，通过S-232串口对UPS电源控制。
接收望远镜采用了纯正的Richey-Chre'tien双曲面主、次镜结构，同时消除了球差和彗差，并且主、次镜采用最优的低热膨胀系数石英玻璃，辅以高强度、低膨胀系数镜筒，主镜牢牢固定在后端基座上，次镜经过光轴校准后固定不动；接收望远镜主次镜镀介质膜，具有99％的极高反射率，接收望远镜口径大于等于200mm。
后继光学接收单元中的355nm反射镜、尼克尔棱镜、532nm反射镜、以及用于三路回波信号滤波的窄带滤光片和光电转化的光电倍增管采用了三通道分光结构模式，每个信号通道使用挡板进行隔离，为了避免杂散光的影响，采用盲板进行空间的密封，水平放置并紧锁于一块光学平板上。整个系统统一固定在一个框架内，框架底部为抗震垫，适应快速移动和颠簸的系统工作环境。
系统能够快速获取颗粒物立体分布，持续巡航时间达到10小时及以上，时间分辨率最高至10秒，能够获得探测距离为5km范围内的颗粒物时空分布信息。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用于限制本发明。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识，凡在本发明原则和精神范围内的变换与改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，其特征在于：包括车载供电单元、激光发射单元、光学接收单元、信号采集与控制单元和GPS跟踪定位单元；所述车载供电单元包括供电电池组、UPS电源；所述的激光发射单元包括高频激光器、消色差扩束镜、三组反射镜，三组反射镜分别包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，高频激光器、消色差扩束镜、第一反射镜紧锁在一块光学平板上，光学平板水平固定在系统框架上；所述后继光学接收单元包括接收望远镜、小孔光阑、消色差透镜、直角棱镜、355nm反射镜、尼克尔棱镜、532nm反射镜、以及用于三路回波信号滤波的窄带滤光片和用于三路回波信号光电转换的光电倍增管；所述信号采集与控制单元包括前置放大器、数据采集卡、工控机，所述数据采集卡采用PCI接口，放置于工控机内部；所述GPS跟踪定位单元通过数据线与工控机连接，用于跟踪记录每个测量点的经纬度，并实时记录当前车移动的速度；
由工控机通过串口发送命令控制高频激光器出光，激光经消色差扩束镜扩束后经第一片反射镜反射后由水平状态转为垂直发射到空中，第二片反射镜和第三片反射镜将激光束由离轴形式转变为激光雷达的同轴结构，激光束穿透密封镜窗垂直射向大气中，激光束与大气气溶胶、云、气体分子相互作用后产生的后向散射光由接收望远镜接收后，汇聚于小孔光阑内，被凸面镜准直后并经过直角棱镜后的355nm回波信号经过355nm反射镜反射后经由窄带滤光片滤除白噪声的干扰到达光电倍增管转换为电流信号，532nm回波信号透过355nm反射镜并通过尼克尔棱镜分为两束线偏振光经窄带滤光片后分别被相应的光电倍增管接收并转换为电流信号，三路电流信号经前置放大器放大并转换为电压信号被数据采集卡采集，并由工控机进行数据的显示和存储；工控机解析获得颗粒物垂直分布信息，GPS跟踪定位单元获得每个测量点上的经纬度信息，工控机将测量点上的颗粒物光学参数与经纬度信息叠加获取颗粒物的区域立体分布信息；在结束测量时，工控机控制关闭高频激光器输出，依次关闭放大器、UPS电源、供电电池组；在系统连续测量过程中，工控机通过UPS电源不间断监测供电电池组的输入状态，若供电电池组的保持正常供电，则系统循环工作；若供电电池组的输入状态出现异常，为了防备供电电池组的输入状态只是短暂的异常，或者只是供电电池组的电压波动造成的，因此，在检查发现供电电池组供电状态异常的情况下，等待1～2分钟后再次检查供电电池组供电状态是否正常，若供电电池组输入状态正常，则系统继续循环工作，若供电电池组供电状态仍然异常，则关闭高频激光器，并预设3-5分钟后关闭UPS电源，在关闭高频激光器后，关闭工控机，UPS电源会在3-5分钟后关闭。
2.根据权利要求1所述的一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，其特征在于：UPS电源采用在线式架构、正弦波输出，UPS电源可以解决市电高压、市电低压、电压瞬态跌落、电压波动、浪涌电压电源问题，在断电情况下，能维持5～10分钟的正常输出，提供RS-232串口，通过S-232串口对UPS电源控制。
3.根据权利要求1所述的一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，其特征在于：激光发射单元整体核心部件高频激光器、消色差透镜紧锁在一块光学平板上面，光学平板水平固定在系统框架上，在快速运动和颠簸的工作环境下，起到了保护高频激光器的目的和抗震的效果。
4.根据权利要求1所述的一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，其特征在于：接收望远镜采用了纯正的Richey-Chre'tien双曲面主、次镜结构，同时消除了球差和彗差，并且主、次镜采用最优的低热膨胀系数石英玻璃，辅以高强度、低膨胀系数镜筒，主镜牢牢固定在后端基座上，次镜经过光轴校准后固定不动；接收望远镜主次镜镀介质膜，具有99％的极高反射率，接收望远镜口径大于等于200mm。
5.根据权利要求1所述的一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，其特征在于：后继光学接收单元中的355nm反射镜、尼克尔棱镜、532nm反射镜、以及用于三路回波信号滤波的窄带滤光片和光电转化的光电倍增管采用了三通道分光结构模式，每个信号通道使用挡板进行隔离，为了避免杂散光的影响，采用盲板进行空间的密封，水平放置并紧锁于一块光学平板上。
6.根据权利要求1所述的一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，其特征在于：整个系统统一固定在一个框架内，框架底部为抗震垫，适应快速移动和颠簸的系统工作环境。
7.根据权利要求1所述的一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，其特征在于：GPS跟踪定位单元与工控机相连，工控机在采集回波信号的同时，记录当前的经纬度信息，并实施记录车的移动速度，做到了颗粒物时空分布与经纬度、交通拥堵量的精确映射关系。
8.根据权利要求1所述的一种移动式区域颗粒物立体分布遥测系统，其特征在于：系统能够快速获取颗粒物立体分布，持续巡航时间达到10小时及以上，时间分辨率最高至10秒，能够获得探测距离为5km范围内的颗粒物时空分布信息。
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