CN107607932A - 一种校准大气组浓度探测激光雷达的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种校准大气组浓度探测激光雷达的装置及其方法，该装置包括：激光雷达、激光束处理模块、光纤、准直透镜、标准气体池，其中所述光纤为大数值孔径光纤。还涉及一种方法，该方法包括：对激光雷达射出的第一激光束进行处理；然后输出至标准气体池，得到第二激光束；对从所述标准气体池内出来的该第二激光束再次进行处理；再输出至所述激光雷达；该激光雷达对经过再次处理后的该第二激光束进行分析，判断分析结果是否在误差允许范围内相等，若是，则所述激光雷达测量结果准确。通过本发明可以大幅负缩短所必须的光束传输空间距离,以及通过标准气体池可改变标准气体池内气体浓度与组分，实现对多种气体探测激光雷达的校准或标定。

Description

一种校准大气组浓度探测激光雷达的装置及方法

技术领域

本发明属于雷达探测大气浓度领域，尤其涉及一种校准大气组浓度探测激光雷达的装置及方法。

背景技术

现在比较常见的大气组分浓度探测是通过激光雷达探测方法，其是通过回收和分析所发出的激光经过大气空间气体分子的后向散射光的波长、频率、偏振等方法，对激光所到区域的大气组分浓度进行远距离探测。这样，在测量时将不再需要使用飞机、热气球、风筝等飞行器前往探测点采样。特别是在对一般飞行器难以到达的高空大气进行探测是，激光雷达探测方法具有不可比拟的优势，但激光雷达的探测准确度和精度却很低。

为提高激光雷达的探测准确度和精度，需要对激光雷达进行校准。比较直接的校准方法是使用雷达探测法和无线电探空仪(或飞行器搭载采样分析)同时对空间某一点进行探测，并比较其测量结果。但由于自然大气空间中各组分的浓度正常情况下不会有较大变化，因此，这种方法通常只能校准一个浓度点或差别较小的几个浓度点。另一种较为常见的校准方法是通过监测手段校准激光雷达中的关键部件参数，这种校准方法常常被称为自校准。自校准避免了只能对某一个浓度测量点的校准问题，但却不是对激光雷达系统的整体校准。如果测量误差(甚至错误)出现在了未被监控和校准的部件上，则会产生较大的测量偏差，甚至错误。2014年，英国国家物理实验室(NPL)将以上两种思路相结合，并人工建立大型的气体池和气体发生装置，生成浓度已知的气体区域对激光雷达进行校准。此方法暂时还未见到公开场合的报道。此方法虽然可以有效避免前两种方法的存在的问题，但其校准系统不仅自身体积庞大(系统自身占地超过10平米)，不易移动，而且在对激光雷达校准时需要放置于激光雷达的测量盲区(依雷达种类不阿同，测量盲区从几十米至几千米不等)之外，这使得选择校准地点也变得较为困难。此外，该校准系统中使用到的人工排放的标准气体只能直接排入大气，不仅单次校准对标准气体的消耗量很大，而且容易造成对大气的二次污染。因此，NPL使用该系统的频率很低。这样，就造成了在两次较长时间间隔的校准之间，如果雷达系统中未被监测的部件出现了较大的偏差，雷达的测量结果也同样将出现较大偏差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中存在使用的校准系统自身体积庞大、选择校准地点困难、单次校准对标准气体的消耗量很大、且容易造成对大气的二次污染，同时测量结果会因雷达系统中的偏差而出现较大偏差大的问题。

为解决上面的技术问题，本发明提供了一种校准大气组浓度探测激光雷达的装置，该装置包括：激光雷达、激光束处理模块、光纤、准直透镜、标准气体池，其中所述光纤为大数值孔径光纤；

所述激光束处理模块、所述光纤和所述准直透镜的依次设置在同一光轴上；

所述激光雷达，用于射出第一激光束；

所述第一激光束依次通过所述激光束处理模块、所述光纤和所述准直透镜处理后射出至所述标准气体池；

所述标准气体池，用于对由所述激光束处理模块、所述光纤和所述准直透镜处理后的所述第一激光束再次进行处理，得到第二激光束；

所述第二激光束从所述标准气体池射出后，沿原路依次通过所述准直透镜、所述光纤和所述激光束处理模块处理后反馈回所述激光雷达；

所述激光雷达，还用于对由所述激光束处理模块处理后的所述第二激光束进行分析，判断分析结果与预设标准气体之间的差值是否在误差允许范围内，若是，则所述激光雷达测量结果准确。

本发明的有益效果：通过上述的装置,大大减少了校准装置的占地空间和对标准气体的消耗量，而第一激光束经过大数值光纤处理,大幅负缩短所必须的光束传输空间距离,且光纤端面(含入射端和出射端)以及标准气体池的入射和出射窗口均采用倾角设计，防止后向散射激光伤害激光雷达内光电探测器，另外通过标准气体池的标气入口和标气出口，可改变标准气体池内气体浓度与组分，实现对多种气体探测激光雷达的校准或标定，同时标准气体在使用后可回收，不会直接排放到大气中大大减低了对大气的污染。

进一步地，所述激光束处理模块，具体用于将所述第一激光束进行聚焦处理；

所述光纤，具体用于调整聚焦处理后的所述第一激光束的发散角；

所述准直透镜，具体用于对经过所述光纤调整发散角后的所述第一激光束进行准直后射出至所述标准气体池。

进一步地，所述标准气体池，具体用于将所述第二激光束输出至所述准直透镜；

所述准直透镜，具体用于对由标准气体池反射回来的第二激光束进行准直；

所述光纤，具体用于调整由所述准直透镜准直后的所述第二激光束的发散角；

所述激光束处理模块，具体用于经过所述光纤调整发散角后的所述第二激光束进行处理，并输出至所述激光雷达。

进一步地，所述激光束处理模块包括：聚焦透镜、平面反射镜和凹面镜，其中所述平面反射镜与所述凹面镜之间距离小于1米；

所述聚焦透镜、所述平面反射镜和所述凹面镜的光轴在同一直线上，且所述第一激光束依次通过所述聚焦透镜、所述平面反射镜和所述凹面镜处理后，射出至所述光纤；

所述第二激光束从所述光纤射出后，通过所述凹面镜散射处理后，输出至所述激光雷达。

进一步地，所述聚焦透镜，具体用于将所述第一激光束进行聚焦；

所述平面反射镜，具体用于聚焦后的所述第一激光束通过其中心孔射出至所述凹面镜的中心孔，以便通过所述凹面镜的中心孔进入到所述光线的入口。

进一步地，该装置还包括：黑体，所述黑体，用于吸收从所述标准气体池输出的激光束，其中所述激光束由所述第一激光束与所述第二激光束确定。

上述进一步地有益效果：激光束从标准气体池出口输出，并进入黑体吸收(黑体吸收率应大于99％)，避免了一定的光污染，同时标准气体在使用后可回收，不会直接排放到大气中大大减低了对大气的污染。

进一步地，所述标准气体池包括：多组平面反射镜。

本发明还涉及一种校准大气组浓度探测激光雷达的方法，该方法包括：

S1，对激光雷达射出的第一激光束进行处理；

S2，将经过处理后的所述第一激光束输出至标准气体池，以便在所述标准气体池内进行处理，得到第二激光束；

S3，对从所述标准气体池内出来的所述第二激光束再次进行处理；

S4，将经过再次处理后的所述第二激光束输出至所述激光雷达；

S5，所述激光雷达对经过再次处理后的所述第二激光束进行分析，判断分析结果是否与预设标准气体浓度值相等，若相等，则所述激光雷达校准正确。

本发明的有益效果：通过上述的方法,大大减少了校准装置的占地空间和对标准气体的消耗量，而第一激光束经过大数值光纤处理,大幅负缩短所必须的光束传输空间距离,且光纤端面(含入射端和出射端)以及标准气体池的入射和出射窗口均采用倾角设计，防止后向散射激光伤害激光雷达内光电探测器，另外通过标准气体池的标气入口和标气出口，可改变标准气体池内气体浓度与组分，实现对多种气体探测激光雷达的校准或标定。

进一步地，所述S1中包括：

S11，对激光雷达射出的第一激光束进行聚焦处理；

S12，调整经过聚焦处理后的所述第一激光束的发散角；

S13，对经过调整发散角后的所述第一激光束进行准直处理。

进一步地，所述S3中包括：

S31，对从所述标准气体池内出来的所述第二激光束进行准直处理；

S32，调整经过准直处理后的所述第二激光束的发散角；

S33，对经过调整发散角后的所述第二激光束进行散射处理。

附图说明

图1为本发明的一种校准大气组浓度探测激光雷达的装置的结构示意图；

图2为本发明的一种校准大气组浓度探测激光雷达的方法流程图；

图3为另一实施例一种校准大气组浓度探测激光雷达的方法流程图；

图4为另一实施例一种校准大气组浓度探测激光雷达的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的是一种校准大气组浓度探测激光雷达的装置，该装置包括：

激光雷达、激光束处理模块、光纤、准直透镜、标准气体池，其中所述光纤为大数值孔径光纤；

所述激光束处理模块、所述光纤和所述准直透镜的依次设置在同一光轴上；

所述激光雷达，用于射出第一激光束；

所述第一激光束依次通过所述激光束处理模块、所述光纤和所述准直透镜处理后射出至所述标准气体池；

所述标准气体池，用于对由所述激光束处理模块、所述光纤和所述准直透镜处理后的所述第一激光束再次进行处理，得到第二激光束；

所述第二激光束从所述标准气体池射出后，沿原路依次通过所述准直透镜、所述光纤和所述激光束处理模块处理后反馈回所述激光雷达；

所述激光雷达，还用于对由所述激光束处理模块处理后的所述第二激光束进行分析，判断分析结果与预设标准气体之间的差值是否在误差允许范围内，若是，则所述激光雷达测量结果准确。

需要说明的是，在本实施例中是从激光雷达中射出用于探测的激光束，第一激光束经过聚焦透镜的中心孔进行聚焦后射入至平面反射镜，经过平面反射镜的中心孔后射入到光纤端口，其中光纤长度可依据需要为几米到几千米，从光纤端口射出后，进入到准直透镜准直后进入到标准气体池，该第一激光束在标准气体池内处理后，得到第二激光束，该第二激光束沿原来的入口中射出，射进准直透镜，经过准直透镜后射入光纤端口，经过光纤的处理后被凹面镜或者凸透镜处理后，射入了激光雷达内部。其中是由于标准气体池内充满已知组分和各组分浓度的标准气体，在激光经过标准气体池时，气体池内分子对激光光子的后向散射将会沿原路返回到原光纤输出端，并在光纤内传播到原输入端输出。此时，输出的第二激光光束发散角将由光纤固有的数值孔径决定。

其中，在本实施例中使用的是使用了大数值孔径光纤，此时从光纤输出端输出的光束将具有α≈13°的输出光锥角。此时，若要扩大到半径ω＝0.25米的光束，其间的空间传输距离约为米。即平面反射镜M1至凹面镜M2之间的距离小于1米。

经扩束准直后的后向散射光通过激光雷达的接收望远镜接收，并传导至光电探测器处理后，获得其探测到的标准气体池内的气体浓度值。此数值与已知标准气体浓度值相比较，即可获得激光雷达的测量不确定度，实现对激光雷达的校准或标定。通过标准气体池的标气入口和标气出口，

可改变标准气体池内气体浓度与组分，实现对多种气体探测激光雷达的校准或标定。

整个系统内的光学元件对激光均镀有宽带(200nm-3600nm)增透或高反膜。标准气体池具有气密性，当充入标准气体后可保持其在测量时间段(通常为1天-1周)内浓度恒定。对于臭氧等较易分解的气体，则通过采取循环流动的方式来保证气体池内气体在测量时间段内浓度恒定。

可选地，所述激光束处理模块，具体用于将所述第一激光束进行聚焦处理；

所述光纤，具体用于调整聚焦处理后的所述第一激光束的发散角；

所述准直透镜，具体用于对经过所述光纤调整发散角后的所述第一激光束进行准直后射出至所述标准气体池。

可选地，所述标准气体池，具体用于将所述第二激光束输出至所述准直透镜；

所述准直透镜，具体用于对由标准气体池反射回来的第二激光束进行准直；

所述光纤，具体用于调整由所述准直透镜准直后的所述第二激光束的发散角；

所述激光束处理模块，具体用于经过所述光纤调整发散角后的所述第二激光束进行处理，并输出至所述激光雷达。

可选地，所述激光束处理模块包括：聚焦透镜、平面反射镜和凹面镜，其中所述平面反射镜与所述凹面镜之间距离小于1米；

所述聚焦透镜、所述平面反射镜和所述凹面镜的光轴在同一直线上，且所述第一激光束依次通过所述聚焦透镜、所述平面反射镜和所述凹面镜处理后，射出至所述光纤；

所述第二激光束从所述光纤射出后，通过所述凹面镜散射处理后，输出至所述激光雷达。

可选地，所述聚焦透镜，具体用于将所述第一激光束进行聚焦；

所述平面反射镜，具体用于聚焦后的所述第一激光束通过其中心孔射出至所述凹面镜的中心孔，以便通过所述凹面镜的中心孔进入到所述光线的入口。

需要说明的是，在本发明中的所述凹面镜可以采用凸透镜替换使用。

可选地，该装置还包括：黑体，所述黑体，用于吸收从所述标准气体池输出的激光束，其中所述激光束由所述第一激光束与所述第二激光束确定。

通过上述的方法，激光束从标准气体池出口输出，并进入黑体吸收(黑体吸收率应大于99％)，避免了一定的光污染，同时标准气体在使用后可回收，不会直接排放到大气中大大减低了对大气的污染。

可选地，所述标准气体池包括：多组平面反射镜。

需要说明的是，在本实施例中在标准气体池内经平面反射镜组多次往返(往返次数依据待校准激光雷达的空间分辨率而不同)后，从标准气体池出口输出，并进入黑体吸收(黑体吸收率应大于99％)。

相应地，如图2所示，本发明还涉及一种校准大气组浓度探测激光雷达的方法，该方法包括：

S1，对激光雷达射出的第一激光束进行处理；

S2，将经过处理后的所述第一激光束输出至标准气体池，以便在所述标准气体池内进行处理，得到第二激光束；

S3，对从所述标准气体池内出来的所述第二激光束再次进行处理；

S4，将经过再次处理后的所述第二激光束输出至所述激光雷达；

S5，所述激光雷达对经过再次处理后的所述第二激光束进行分析，判断分析结果是否与预设标准气体浓度值相等，若相等，则所述激光雷达校准正确。

可选地，如图3所示，所述S1中包括：

S11，对激光雷达射出的第一激光束进行聚焦处理；

S12，调整经过聚焦处理后的所述第一激光束的发散角；

S13，对经过调整发散角后的所述第一激光束进行准直处理。

可选地，如图4所示，所述S3中包括：

S31，对从所述标准气体池内出来的所述第二激光束进行准直处理；

S32，调整经过准直处理后的所述第二激光束的发散角；

S33，对经过调整发散角后的所述第二激光束进行散射处理。

需要说明的是，在本实施例中在本实施例中是从激光雷达中射出用于探测的激光束，第一激光束经过聚焦透镜的中心孔进行聚焦后射入至平面反射镜，经过平面反射镜的中心孔后射入到光纤端口，其中光纤长度可依据需要为几米到几千米，从光纤端口射出后，进入到准直透镜准直后进入到标准气体池，该第一激光束在标准气体池内处理后，得到第二激光束，该第二激光束沿原来的入口中射出，射进准直透镜，经过准直透镜后射入光纤端口，经过光纤的处理后被凹面镜或者凸透镜处理后，射入了激光雷达内部。其中是由于标准气体池内充满已知组分和各组分浓度的标准气体，在激光经过标准气体池时，气体池内分子对激光光子的后向散射将会沿原路返回到原光纤输出端，并在光纤内传播到原输入端输出。此时，输出的第二激光光束发散角将由光纤固有的数值孔径决定。

其中，在本实施例中使用的是使用了大数值孔径光纤，此时从光纤输出端输出的光束将具有α≈13°的输出光锥角。此时，若要扩大到半径ω＝0.25米的光束，其间的空间传输距离约为()米。即平面反射镜M1至凹面镜M2之间的距离小于1米。

经扩束准直后的后向散射光通过激光雷达的接收望远镜接收，并传导至光电探测器处理后，获得其探测到的标准气体池内的气体浓度值。此数值与已知标准气体浓度值相比较，即可获得激光雷达的测量不确定度，实现对激光雷达的校准或标定。通过标准气体池的标气入口和标气出口，可改变标准气体池内气体浓度与组分，实现对多种气体探测激光雷达的校准或标定。

整个系统内的光学元件对激光均镀有宽带(200nm-3600nm)增透或高反膜。标准气体池具有气密性，当充入标准气体后可保持其在测量时间段(通常为1天-1周)内浓度恒定。对于臭氧等较易分解的气体，则通过采取循环流动的方式来保证气体池内气体在测量时间段内浓度恒定。

因此通过上述的方法,大大减少了校准装置的占地空间和对标准气体的消耗量，而第一激光束经过大数值光纤处理,大幅负缩短所必须的光束传输空间距离,且光纤端面(含入射端和出射端)以及标准气体池的入射和出射窗口均采用倾角设计，防止后向散射激光伤害激光雷达内光电探测器，另外通过标准气体池的标气入口和标气出口，可改变标准气体池内气体浓度与组分，实现对多种气体探测激光雷达的校准或标定。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种校准大气组浓度探测激光雷达的装置，其特征在于,该装置包括：

激光雷达、激光束处理模块、光纤、准直透镜、标准气体池，其中所述光纤为大数值孔径光纤；

所述激光束处理模块、所述光纤和所述准直透镜的依次设置在同一光轴上；

所述激光雷达，用于射出第一激光束；

所述第一激光束依次通过所述激光束处理模块、所述光纤和所述准直透镜处理后射出至所述标准气体池；

所述标准气体池，用于对由所述激光束处理模块、所述光纤和所述准直透镜处理后的所述第一激光束再次进行处理，得到第二激光束；

所述第二激光束从所述标准气体池射出后，沿原路依次通过所述准直透镜、所述光纤和所述激光束处理模块处理后反馈回所述激光雷达；

所述激光雷达，还用于对由所述激光束处理模块处理后的所述第二激光束进行分析，判断分析结果与预设标准气体之间的差值是否在误差允许范围内，若是，则所述激光雷达测量结果准确。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光束处理模块，具体用于将所述第一激光束进行聚焦处理；

所述光纤，具体用于调整聚焦处理后的所述第一激光束的发散角；

所述准直透镜，具体用于对经过所述光纤调整发散角后的所述第一激光束进行准直后射出至所述标准气体池。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标准气体池，具体用于将所述第二激光束输出至所述准直透镜；

所述准直透镜，具体用于对由标准气体池反射回来的第二激光束进行准直；

所述光纤，具体用于调整由所述准直透镜准直后的所述第二激光束的发散角；

所述激光束处理模块，具体用于经过所述光纤调整发散角后的所述第二激光束进行处理，并输出至所述激光雷达。

4.根据权利要求1-3任一所述的装置，其特征在于，所述激光束处理模块包括：聚焦透镜、平面反射镜和凹面镜，其中所述平面反射镜与所述凹面镜之间距离小于1米；

所述聚焦透镜、所述平面反射镜和所述凹面镜的光轴在同一直线上，且所述第一激光束依次通过所述聚焦透镜、所述平面反射镜和所述凹面镜处理后，射出至所述光纤；

所述第二激光束从所述光纤射出后，通过所述凹面镜散射处理后，输出至所述激光雷达。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述聚焦透镜，具体用于将所述第一激光束进行聚焦；

所述平面反射镜，具体用于聚焦后的所述第一激光束通过其中心孔射出至所述凹面镜的中心孔，以便通过所述凹面镜的中心孔进入到所述光线的入口。

6.根据权利要求1-3、5任一所述的装置，其特征在于，该装置还包括：黑体，所述黑体，用于吸收从所述标准气体池输出的激光束，其中所述激光束由所述第一激光束与所述第二激光束确定。

7.根据权利要求1-3、5任一所述的装置，其特征在于，所述标准气体池包括：多组平面反射镜。

8.一种校准大气组浓度探测激光雷达的方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一所述的方法，该方法包括：

S1，对激光雷达射出的第一激光束进行处理；

S2，将经过处理后的所述第一激光束输出至标准气体池，以便在所述标准气体池内进行处理，得到第二激光束；

S3，对从所述标准气体池内出来的所述第二激光束再次进行处理；

S4，将经过再次处理后的所述第二激光束输出至所述激光雷达；

S5，所述激光雷达对经过再次处理后的所述第二激光束进行分析，判断分析结果与预设标准气体之间的差值是否在误差允许范围内，若是，则所述激光雷达测量结果准确。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S1中包括：

S11，对激光雷达射出的第一激光束进行聚焦处理；

S12，调整经过聚焦处理后的所述第一激光束的发散角；

S13，对经过调整发散角后的所述第一激光束进行准直处理。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述S3中包括：

S31，对从所述标准气体池内出来的所述第二激光束进行准直处理；

S32，调整经过准直处理后的所述第二激光束的发散角；

S33，对经过调整发散角后的所述第二激光束进行散射处理。