CN107037447A - 户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，包括一体化方舱、激光器、智能控制单元、光学单元、信号采集与分析单元、电动雨刮器和吹扫装置，智能控制单元控制整机设备的运行，激光器发射脉冲激光，扩束后入射到大气中，光学接收单元接收大气气溶胶颗粒物的后向散射光，由接收通道的检偏棱镜分离出垂直偏振分量和平行偏振分量，经光电探测模块转换为电信号，由信号采集与分析单元采集、分析和显示，获得大气气溶胶颗粒物的垂直分布信息。本装置提高了探测信号的信噪比，具有防雷设计、光电探测模块高压在线程控调节、仪器内部温度可监视、天窗自动清洁等功能，IP65防护等级，满足户外全天候和全天时运行要求。

Description

户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置

技术领域

本发明属于气象环境监测技术领域，特别是涉及一种户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置。

背景技术

近年来，全球能量消耗逐年增加，大气污染形势严峻，激光雷达被广泛应用于探测大气气溶胶、能见度、边界层、臭氧等参数，以激光为光源发射到大气中，与大气发生散射和吸收作用，其中后向散射信号被激光雷达望远镜接收，经过光电探测器转换成电信号，通过数据采集、算法反演得到大气分子、气溶胶粒子的信息。

激光雷达可以获得大气分子、气溶胶粒子的信息，是气象、环保行业中不可缺少的监测设备，应用前景越来越广泛。但目前的激光雷达设备有以下不足之处：白天探测信噪比不足，大都放置于站房中应用，需要花费额外的资金建设站房，对监测地点的选取造成了限制；缺乏有效的防雷设计，设备在户外运行时安全性、可靠性差；光电探测模块的输入高压不可调节，实际运行时会出现信号过弱和信号饱和的现象；天窗的清理工作需要大量人工来完成，维护成本高。

因此，如何解决上述技术问题成为了该领域技术人员努力的方向。

发明内容

本发明的目的就是提供一种户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，采用高重频、高能量激光发射器，在高频率与高功率运转下仍然能够获得优秀的光束质量和较窄的激光脉冲宽度，在单位时间内可以获得更多质量优良的回波信号，极大提高了白天探测信号的信噪比，实现昼夜全天时监测，一体化方舱设计保证在户外安全可靠的运行，无需单独建站房，体积小巧，适合大范围雷达布网监测；在遇到大气环境变化剧烈时，按预设档位自动调节光电探测模块高压值，得到最佳信噪比的探测信号，同时根据高压调节档位，修正反演参数，保证反演的数据更准确；天窗的清扫工作由智能控制单元控制下自动完成，维护工作量降低，同时也提高了信号的质量，大大提高了激光雷达产品的无人值守能力。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，包括一体化方舱、激光器、智能控制单元、光学单元、信号采集与分析单元、电动雨刮器、吹扫装置和雨滴传感器，所述一体化方舱上设有天窗，激光器、智能控制单元和信号采集与分析单元设于一体化方舱内部，且光学单元和激光器对应天窗设置，电动雨刮器安装在天窗外侧，吹扫装置对应天窗安装在一体化方舱外壁，雨滴传感器安装在一体化方舱外壁，所述激光器、信号采集与分析单元、电动雨刮器和吹扫装置由智能控制单元控制。

作为一种优选的技术方案，所述激光器为高重频、高能量激光发射器。

作为一种优选的技术方案，所述一体化方舱内安装有方舱空调、散热风扇和温度传感器，温度传感器接入智能控制单元内，实时监视设备内部温度情况。

作为一种优选的技术方案，所述一体化方舱具有方舱门，方舱门的门开关与智能控制单元连接。

作为一种优选的技术方案，还包括UPS电源，所述方舱空调、吹扫装置和UPS电源通过接线端子排连接外部电源，在接线端子排的输入端连接三相电源防雷器，UPS电源后端并联PDU机柜插座、单相电源防雷器。

作为一种优选的技术方案，所述智能控制单元包括MCU、AD信号采集模块、DA输出模块、电位器、高压电源模块和LCD显示屏，MCU与LCD显示屏连接，在MCU和高压电源模块之间连接AD信号采集模块和DA输出模块，电位器连接DA输出模块。

作为一种优选的技术方案，所述信号采集与分析单元包括光电探测模块、采集卡、工控机和显示器，采集卡和显示器连接工控机，工控机与智能控制单元之间采用232通信，并与智能控制单元一起控制激光器、信号采集与分析单元、电动雨刮器和吹扫装置，光电探测模块连接采集卡，光电探测模块用于将接收到的激光信号转换成电信号，光电探测模块与高压电源模块连接。

作为一种优选的技术方案，所述光学单元由光学发射单元和光学接收单元两部分构成，光学发射单元包括扩束器、光束引导反射器和导光筒，光学接收单元包括卡塞格林型望远镜以及由小孔光阑、目镜、偏振棱镜、反射镜、汇聚透镜、滤光片组成的后继光学单元。

作为一种优选的技术方案，所述的吹扫装置由天窗加热器、吹扫风机组成，天窗加热器和吹扫风机通过继电器连接智能控制单元的输出端。

作为一种优选的技术方案，还包括雨滴传感器和用于实时获取天气气象数据的无线路由器，所述雨滴传感器与智能控制单元连接，无线路由器与工控机连接。

本发明中的智能控制单元控制系统的整体运转，光学单元由光学发射单元和光学接收单元构成，光学发射单元发射脉冲激光，扩束后穿过天窗玻璃入射到大气中，光学接收单元接收大气气溶胶颗粒物的后向散射光，由接收通道的检偏棱镜分离出垂直偏振分量和平行偏振分量，分别经光电探测器转换为电信号，由各自通道的探测器将光信号转换成电信号，再由采集与分析单元采集、分析和显示，最终获得大气气溶胶颗粒物的垂直分布信息。一体化方舱上部的电动雨刮器和吹扫装置保证天窗玻璃的清洁。本装置采用高重频、高能量激光发射器，极大提高了白天探测信号的信噪比，做到了昼夜高信噪比全天时工作。具有UPS掉电保护、防雷设计、光电探测模块高压在线监视和程控调节功能、来电自动开机工作、天窗自动清洁功能和仪器内部温度可监视，可控制并具备异常情况下断电保护和远程报警等功能，整机达到IP65防护等级，安全性和可靠性高，可进行远程维护操作，数据通过无线自动传输，满足户外全天候和全天时运行的条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、采用高重频、高能量激光发射器，基于LD端面泵浦声光调Q技术，谐振腔设计及激光控制技术，实现激光器在高频率与高功率运转下仍然能够获得优秀的光束质量和较窄的激光脉冲宽度，从而在单位时间内获得更多质量优良的回波信号，极大提高了白天探测信号的信噪比，做到了昼夜高信噪比全天时工作。

2、设置门开关和多路温度传感器，采集各部分状态，控制方舱空调的模式和风量大小，保证了设备内部温度始终处于适宜状态，为设备的全天候运行提供了保障。

3、采用了防雷设计，可以保护设备在户外运行出现雷击时不受损坏，提高产品的安全性。

4、光电探测模块的高压电源值显示和调节功能，手动调节和自动调节相结合，既大大降低了设备的调试和维护工作量，又有效避免环境因素带来的信号强度过低和饱和等不利影响，提高信号的质量和数据的可靠性。

5、光学发射单元激光通过导光筒将光束屏蔽起来，且望远镜后级光学部分采用全封闭方式，避免了近距离杂散光对探测器造成饱和影响，极大程度提高了信号质量。

6、天窗的雨刮、吹扫功能设计，由智能控制单元实时控制，有效的清除了天窗上的灰尘、雨雾等，保障了信号的强度。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2本发明智能控制单元的工作流程图；

图3是本发明高压显示和调节功能的原理框图；

图4是本发明光学单元结构图；

图5是本发明电源防雷设计的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图2所示为本发明智能控制单元的工作流程图，智能控制单元可以实现对各功能部件的采集、控制、通信，从而实现智能化控制。开机后，设备先进行初始化，检测设备的门开关、空调状态、设备内温度、激光器工作状态等各部分是否正常，若温度不满足要求，则需开启方舱空调调节室内温度，直到设备温度在工作范围内；若其它部件不正常，则需要发出报警信息并进行维护。当各部分条件满足后，将参数存储并上传到工控机，之后检测是否有新指令下达，包括上位机下达的指令，若有高压调节、加热吹扫、雨刮、远程关机等指令，则按照指令控制相应部件完成功能，如此重复循环。

图3为本发明高压显示和调节功能的原理框图，光电探测模块的探测信号用同轴电缆线接到采集卡中，采集卡插入到工控机卡槽中，工控机与智能控制单元之间用232进行数据通信。产品调试时先用电位器进行手动调节，在液晶屏中显示电源电压值，调节后的高压电源输出用同轴电缆线接到光电探测模块中；产品正常运行时，切换到电压自适应调节模式，根据采集到的探测信号强度，自适应选择合适的高压值，由工控机对智能控制单元下达指令，来完成高压电源的调节工作。

图4为本发明光学单元结构图，通过发射单元激光光束进入遮光筒1，然后发射光束进入到反射镜，反射镜将发射光束发射至高空。望远镜2接收高空信号，然后由密闭结构后级单元3接收。通过遮光筒的屏蔽作用，避免了近场杂散光对探测器造成饱和影响，极大程度提高了信号质量。

图5为本发明电源防雷设计的原理框图，外部三相市电进入设备前15m内先做埋地处理，选择土壤含水量较高的地点，埋地深度超过0.5m；市电接入设备后，并联一个B+C组合电源防雷器，用于电源的二级防雷保护；三相电源分别给方舱空调、天窗加热器和UPS电源供电，UPS电源后端接PDU机柜插座给设备的其它部件供电，在UPS电源后端并联单相电源防雷器，对雷电能量进一步泄放，作为三级防雷保护；方舱内部所有的设备接地，外部用角钢设置地网，并将方舱的地与地网连接起来，可有效确保设备的安全。

参见图1至图5，一种户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，包括激光器、一体化方舱、UPS电源、智能控制单元、光学单元、信号采集与分析单元、和电动雨刮器、吹扫装置等部分。所述的各部分除电动雨刮器、吹扫装置放置在一体化方舱外面，其余全部放置其中，智能控制单元判断各部分功能正常后，激光器正常出光，经扩束器穿过天窗玻璃入射到大气中，望远镜等光学接收部分将接收的激光分别汇聚到两个通道的光电探测模块中，探测信号由采集卡和工控机进行采集、分析和显示。所述吹扫装置包括天窗加热器和吹扫风机。

所述的激光器采用高重频、高能量激光发射器，基于LD端面泵浦声光调Q技术，谐振腔设计及激光控制技术，实现激光器在高频率与高功率运转下仍然能够获得优秀的光束质量和较窄的激光脉冲宽度，在单位时间内可以获得更多质量优良的回波信号，极大提高了白天探测信号的信噪比。

所述的一体化方舱具有IP65防水等级，内部包括了方舱空调和散热风扇、温度传感器、门开关、防雷装置等部件，其中方舱空调和散热风扇配合使用，以便形成内部空气循环，效果更好；温度传感器的设置上中下三路，接入到智能控制单元中，实时采集的设备内部温度情况，通过232通信设置方舱空调的模式和风量，实现智能化控制；门开关的设置是检测方舱门是否关上，防止出现门没有关上带来的各种不利影响；防雷装置由几级电源防雷器组成，同时在设备旁设置地网，外部电源输入后先经过防雷器，然后分为三路分别给空调、天窗的吹扫加热和经由UPS电源给其它用电部件供电，可有效的确保设备在户外运行时的安全性；预留了设备重启按钮、RJ45端口、USB接口、DB9串口等；无线传输天线采用吸顶式安装在顶部。

所述的UPS电源选择2kVA，输出接PDU机柜插座，分别给智能控制单元、激光器、信号采集与分析单元、散热风扇、电动雨刮器、吹扫装置等部分供电。当外部断电时，工控机读取UPS电源信息，按重要程度依次将各部分设备断电关机，且对数据参数进行保存，避免了突然断电带来的数据丢失，来电后设备将自动启动运行。

所述的智能控制单元选用ARM单片机作为处理器，外部分别接光电探测模块、采集卡、工控机、激光器电源、电动雨刮器、天窗加热器、吹扫风机、门开关、温度传感器等部件，该处理器与光电探测模块(532S和532P)两个通道通过同轴电缆线相连，输出调节后的高压电源；智能控制单元与采集卡通过同轴电缆线相连，作为触发信号；智能控制单元与工控机、激光器电源、方舱空调之间用232串口线相连，进行数据通信；智能控制单元用内部小信号驱动继电器来控制电动雨刮器、天窗加热器、吹扫风机的运行，保证天窗的清洁；智能控制单元与门开关、温度传感器用导线相连，实时采集状态信息。

所述的光学单元由光学发射单元和光学接收单元两部分构成，光学发射单元包括扩束器、光束引导反射镜、导光筒，激光经扩束器扩束并压缩发散角，经由两片反射镜引导到光学接收单元望远镜的中心发射，导光筒将光束屏蔽起来，避免了杂散光对探测器造成饱和影响极大程度提高了信号质量；光学接收单元由卡塞格林型望远镜、小孔光阑、目镜、偏振棱镜、反射镜、汇聚透镜、滤光片构成，实现激光发射和大气气溶胶后向散射激光信号接收，并分离水平和垂直偏振分量，用于信号的探测。

所述的信号采集与分析单元包括光电探测模块、采集卡、工控机和显示器等部分，光电探测模块将接收到的激光信号转换成电信号，通过同轴电缆线接入到采集卡中，采集卡放置在工控机的卡槽里，雷达回波信号经转换变为数字信号，经过降噪，去背景、距离矫正等预处理，并结合Klett和Fernald方法，获得大气气溶胶的消光，退偏振信息；工控机选择方舱式，显示器选择触摸屏，数据的采集和分析软件在显示器上显示，通过操作采集和分析软件可以查看当前的实时数据和状态情况，可进行远程操作维护，满足上电自启动运行的功能。

所述吹扫装置由天窗加热器、吹扫风机组成，装置放在一体化方舱的外部，电动雨刮器对应天窗安装，吹扫装置安装在侧面，用电缆线分别接到相应的位置。设备通过雨滴传感器，同时结合无线路由器实时获取的天气情况，在雨天时开启雨刮器，大雾天气加热吹扫，其余天气为定时加热吹扫，从而保证了天窗的清洁。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：包括一体化方舱、激光器、智能控制单元、光学单元、信号采集与分析单元、电动雨刮器、吹扫装置和雨滴传感器，所述一体化方舱上设有天窗，激光器、智能控制单元和信号采集与分析单元设于一体化方舱内部，且光学单元和激光器对应天窗设置，电动雨刮器安装在天窗外侧，吹扫装置对应天窗安装在一体化方舱外壁，雨滴传感器安装在一体化方舱外壁，所述激光器、信号采集与分析单元、电动雨刮器和吹扫装置由智能控制单元控制。

2.根据权利要求1所述的户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：所述激光器为高重频、高能量激光发射器。

3.根据权利要求1所述的户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：所述一体化方舱内安装有方舱空调、散热风扇和温度传感器，温度传感器接入智能控制单元内，实时监视设备内部温度情况。

4.根据权利要求1所述的户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：所述一体化方舱具有方舱门，方舱门的门开关与智能控制单元连接。

5.根据权利要求3所述的户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：还包括UPS电源，所述方舱空调、吹扫装置和UPS电源通过接线端子排连接外部电源，在接线端子排的输入端连接三相电源防雷器，UPS电源后端并联PDU机柜插座、单相电源防雷器。

6.根据权利要求1所述的户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：所述智能控制单元包括MCU、AD信号采集模块、DA输出模块、电位器、高压电源模块和LCD显示屏，MCU与LCD显示屏连接，在MCU和高压电源模块之间连接AD信号采集模块和DA输出模块，电位器连接DA输出模块。

7.根据权利要求1所述的户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：所述信号采集与分析单元包括光电探测模块、采集卡、工控机和显示器，采集卡和显示器连接工控机，工控机与智能控制单元之间采用232通信，并与智能控制单元一起控制激光器、信号采集与分析单元、电动雨刮器和吹扫装置，光电探测模块连接采集卡，光电探测模块用于将接收到的激光信号转换成电信号，光电探测模块与高压电源模块连接。

8.根据权利要求1所述的户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：所述光学单元由光学发射单元和光学接收单元两部分构成，光学发射单元包括扩束器、光束引导反射器和导光筒，光学接收单元包括卡塞格林型望远镜以及由小孔光阑、目镜、偏振棱镜、反射镜、汇聚透镜、滤光片组成的后继光学单元。

9.根据权利要求1所述的户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：所述的吹扫装置由天窗加热器、吹扫风机组成，天窗加热器和吹扫风机通过继电器连接智能控制单元的输出端。

10.根据权利要求1所述的户外型全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置，其特征在于：还包括雨滴传感器和用于实时获取天气气象数据的无线路由器，所述雨滴传感器与智能控制单元连接，无线路由器与工控机连接。