CN107037446A - 一种大气颗粒物走航观测激光雷达装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大气颗粒物走航观测激光雷达装置，包括：光学发射装置、光学接收装置、扫描装置、信号采集与处理装置和拍照模块；光学接收装置设置在光学发射装置的正前方，扫描装置设置在光学接收装置的前方，信号采集与处理装置连接在光学接收装置上；拍照模块连接在信号采集与处理装置上。本发明能够定点垂直观测、扫描观测和斜程观测，能够走航垂直观测和斜程观测，能够获得大气颗粒物的立体分布廓线，结合地理信息模块区域扫描时能够快速溯源，找到污染源位置，走航观测能够跟踪污染团变化，监测扩散趋势，结合风场信息能够计算输送通量，为环保、气象等部门进行业务支撑。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达装置，具体的说是一种大气颗粒物走航观测激光雷达装置。
背景技术
近年来，雾霾越来越严重，严重影响生活与出行，普通的地基在线监测设备只能获得几百米以下的数据，无法实现1km以上的探空，大气颗粒物激光雷达弥补了这一缺陷，可以探测距离地面100m-30km的大气颗粒物分布状况，定性分析其时空演变特征。
目前大气颗粒物监测激光雷达主要分为两类，高能激光雷达和微脉冲激光雷达，高能激光雷达单脉冲能量10mJ以上，重复频率50Hz以下，能量大可以有效击穿边界层，符合重污染天气下监测要求；微脉冲激光雷达单脉冲能量100uJ以下，重复频率1kHz以上，体积小、成本低，但是由于其能量低，在重污染天气下无法获得好的监测数据。无论是高能激光雷达还是微脉冲激光雷达，由于平均功率低，都需要较长的时间获得一条有效廓线数据，时间分辨率30s以上，无法满足监测车边快速行驶边观测的要求，只能定点或者时速30km/h以下的时候使用，在高速公路上使用就有局限性。扫描雷达大多使用的是扫描架的方式，这种扫描方式无法避免线缆拖拽的问题，所以扫描范围小，不能达到水平0-360度、垂直0-360度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种大气颗粒物走航观测激光雷达装置。本发明能够定点垂直观测、扫描观测和斜程观测，能够走航垂直观测和斜程观测，能够获得大气颗粒物的立体分布廓线，结合地理信息模块区域扫描时能够快速溯源，找到污染源位置，走航观测能够跟踪污染团变化，监测扩散趋势，结合风场信息能够计算输送通量，为环保、气象等部门进行业务支撑。
本发明是通过下述技术方案解决上述技术问题的：
一种大气颗粒物走航观测激光雷达装置，包括：光学发射装置1、光学接收装置2、扫描装置3、信号采集与处理装置4和拍照模块5；
所述光学接收装置2设置在光学发射装置1的正前方，所述扫描装置3设置在光学接收装置2的前方，所述信号采集与处理装置4连接在光学接收装置2上；
所述拍照模块5连接在信号采集与处理装置4上。
优先的，所述光学发射装置1包括：激光器11和准直扩束镜组12；
所述激光器11上固定有准直扩束镜组12。
优先的，所述光学接收装置2包括：望远镜21和后继光学模块22；
所述后继光学模块22内置于望远镜21中，所述望远镜21内置有管状部件211。
优先的，所述扫描装置3包括：光线入射通道31、一对扫描振镜32、光线传输通道33、定位模块34和光线出射通道35；
所述光线入射通道31设置在光学接收装置2正上方，所述光线传输通道33倾斜的设置在光线入射通道31上方，所述一对扫描振镜32平行的固定在光线传输通道33内，所述光线出射通道35设置在光线传输通道33上方，所述定位模块34设置在扫描装置3内。
优先的，所述信号采集与处理装置4包括：光电探测器41、信号放大模块42、数据采集模块43、数据处理模块44、中央处理器45和地理信息模块441；
所述光电探测器41、信号放大模块42、数据采集模块43和数据处理模块44连接在中央处理器45上；所述数据处理模块44上还连接有地理信息模块441。
优先的，还包括环境识别传感器6，所述环境识别传感器6连接在信号采集与处理装置4上。
本发明的有益效果：能够定点垂直观测、扫描观测和斜程观测，能够走航垂直观测和斜程观测，能够获得大气颗粒物的立体分布廓线，结合地理信息模块区域扫描时能够快速溯源，找到污染源位置，走航观测能够跟踪污染团变化，监测扩散趋势，结合风场信息能够计算输送通量，为环保、气象等部门进行业务支撑。
附图说明
图1为本发明的大气颗粒物走航观测激光雷达装置结构示意图；
图2为本发明的大气颗粒物走航观测激光雷达装置的光学发射装置示意图，图中仅保留了激光器和扩束镜结构；
图3为本发明的大气颗粒物走航观测激光雷达装置的信号传输结构框图；
图4为本发明的大气颗粒物走航观测激光雷达装置的信号采集与处理装置的结构框图；
图5为本发明的大气颗粒物走航观测激光雷达装置的实施例的夜晚和白天大气后向散射回波信号的信噪比廓线；
图中：
1- 光学发射装置，11- 激光器，12- 准直扩束镜组；
2- 光学接收装置，21- 望远镜，211- 管状部件，22- 后继光学模块；
3- 扫描装置，31- 光线入射通道，32- 一对扫描振镜，33- 光线传输通道，34- 定位模块，35- 光线出射通道 ；
4- 信号采集与处理装置，41- 光电探测器，42- 信号放大模块，43- 数据采集模块，44- 数据处理模块，441- 地理信息模块，45- 中央处理器；
5- 拍照模块；
6- 环境识别传感器。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实例。
如图所示，一种大气颗粒物走航观测激光雷达装置，包括：光学发射装置1、光学接收装置2、扫描装置3、信号采集与处理装置4和拍照模块5；
所述光学接收装置2设置在光学发射装置1的正前方，所述扫描装置3设置在光学接收装置2的前方，所述信号采集与处理装置4连接在光学接收装置2上；
所述拍照模块5连接在信号采集与处理装置4上。
在本实施中优选的，光学发射装置1包括：激光器11和准直扩束镜组12，所述激光器11上固定有准直扩束镜组12；
激光器11采用单脉冲能量1mJ、重复频率2kHz的激光雷达，能满足重污染天气下的探测，能量高可以更好的穿透污染层获得高信噪比回波信号，频率高可以在单位时间内获得更多数量的回波信号，平均后的信号质量更高，且保证模块时间分辨率不高于10s，满足边行驶边观测的要求，行驶速度可以达到60km/h以上。
在本实施中优选的，光学接收装置2包括：望远镜21和后继光学模块22；
所述后继光学模块22内置于望远镜21中，所述望远镜21内置有管状部件211；
管状部件211能够将发射的激光与接收的雷达后向散射信号隔离，减小杂散光干扰，提高信号信噪比。
在本实施中优选的，扫描装置3包括：光线入射通道31、一对扫描振镜32、光线传输通道33、定位模块34和光线出射通道35；
所述光线入射通道31设置在光学接收装置2正上方，所述光线传输通道33倾斜的设置在光线入射通道31上方，所述一对扫描振镜32平行的固定在光线传输通道33内，所述光线出射通道35设置在光线传输通道33上方，所述定位模块34设置在扫描装置3内；
扫描装置3使用时与雷达主体分离，提高运行稳定性，水平、垂直转轴不受线缆影响，可以满足水平0-360度、垂直0-360度的旋转，属于国内大口径扫描模块首创，且自带除尘刷、除湿装置，自动进行维护；一对扫描振镜32可以利用定位模块34中经纬度、角度信息进行自动旋转，根据实际方位角自动调整探测方向并记录；拍照模块5可以和一对扫描振镜32联动拍照、摄像并实时保存图像或者视频数据，结合模块反演结果可以更好的说明大气颗粒物状况。
在本实施中优选的，信号采集与处理装置4包括：光电探测器41、信号放大模块42、数据采集模块43、数据处理模块44、中央处理器45和地理信息模块441；
所述光电探测器41、信号放大模块42、数据采集模块43和数据处理模块44连接在中央处理器45上；所述数据处理模块44上还连接有地理信息模块441；
信号采集与处理装置4采用动态范围96dB以上的数据采集板卡，空间分辨率7.5m，可以使反演的图像更加细致；光电探测器41是指将接收的激光雷达后向散射信号由光信号转换成电信号；地理信息模块441结合定位模块34中经纬度信息，再叠加区域消光系数、退偏振比图像，有利于提高地理信息的准确度。
在本实施中优先的，还包括环境识别传感器6，所述环境识别传感器6连接在信号采集与处理装置4上；
环境识别传感器34自动记录外部环境温湿度、下雨状态，可以自动进行雨刮操作，满足复杂天气下的使用，在反演图像上叠加温湿度数据、下雨状态，可以更好的联合分析气象条件对雾霾的作用。
表1所示为每个脉冲的激光出射位置与接收位置的偏差数据表：
表1 光出射位置与接收位置的偏差数据表
当雷达的探测距离为10km，激光出射后回波信号返回到激光雷达的距离为20km，按光速3*108计算，需要反应时间为6.7*10-5s，当车速为60km/h（16.7m/s）时，车辆已行驶0.0011m，激光出射位置与接收位置的偏差为1.1mm，该偏差对口径150mm以上的激光雷达几乎忽略不计。当车速按照120km/h（33.3m/s）计算，在同样的反应时间内，激光出射位置与接收位置的偏差为2.2mm，同理不影响光路的接收。
使用中，采用了全固化二极管泵浦激光器，激光雷达每条数据的采集时间间隔为5s，约有10000个脉冲，车速按60km/h计算，车辆行驶了83.5m，同类产品的时间分辨率约为30s，以此速度行驶约501m，远远大于83.5m，因此在走航观测中，高时间分辨率更好的满足大气空间分布的探测，精度更高。
图5所示为在不同海拔高度测得的信噪比廓线图，在激光雷达数据质量控制中，信噪比优于10才能反演有效的雷达数据，采用现有产品的时间分辨率约为30s才能满足信号反演需求，而本发明的扫描式大气颗粒物监测激光雷达装置时间分辨率优于5s就可满足信号反演需求。
以上所述仅为本发明的优选实施例方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种大气颗粒物走航观测激光雷达装置，
包括：光学发射装置（1）、光学接收装置（2）、扫描装置（3）、信号采集与处理装置（4）和拍照模块（5）；
所述光学接收装置（2）设置在光学发射装置（1）的正前方，所述扫描装置（3）设置在光学接收装置（2）的前方，所述信号采集与处理装置（4）连接在光学接收装置（2）上；
所述拍照模块（5）连接在信号采集与处理装置（4）上。
2.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述光学发射装置（1）包括：激光器（11）和准直扩束镜组（12）；
所述准直扩束镜组（12）设置在激光器（11）的激光发射端的正前方。
3.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述光学接收装置（2）包括：望远镜（21）和后继光学模块（22）；
所述后继光学模块（22）内置于望远镜（21）中，所述望远镜（21）内置有管状部件（211）。
4.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述扫描装置（3）包括：光线入射通道（31）、一对扫描振镜（32）、光线传输通道（33）、定位模块（34）和光线出射通道（35）；
所述光线入射通道（31）设置在光学接收装置（2）正上方，所述光线传输通道（33）倾斜的设置在光线入射通道（31）上方，所述一对扫描振镜（32）平行的固定在光线传输通道（33）内，所述光线出射通道（35）设置在光线传输通道（33）上方，所述定位模块（34）设置在扫描装置（3）内。
5.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述信号采集与处理装置（4）包括：光电探测器（41）、信号放大模块（42）、数据采集模块（43）、数据处理模块（44）、中央处理器（45）和地理信息模块（441）；
所述光电探测器（41）、信号放大模块（42）、数据采集模块（43）和数据处理模块（44）连接在中央处理器（45）上；
所述数据处理模块（44）上还连接有地理信息模块（441）。
6. 如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，还包括环境识别传感器（6），所述环境识别传感器（6）连接在信号采集与处理装置（4）上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170811 |