CN108761486A - 基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统 - Google Patents

基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光技术应用技术领域，涉及基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统，用于检测大气气溶胶分布、大气中颗粒物和某些气体的浓度。该系统包括激光发射装置、接收装置、底板、激光器调制电路板、温控模块电路板、电脑主板和计数器；激光发射装置和接收装置分别固定在底板的左右两端，激光器调制电路板、温控模块电路板、电脑主板和计数器固定在底板上。由于该系统是以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号，从而可以使用大功率连续光光源和CCD/CMOS传感器作为探测器，与传统的脉冲式气溶胶激光雷达系统相比具有结构简单，操作方便，成本低，可靠性高。

Description

基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统
技术领域
本发明属于激光技术应用技术领域，涉及基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统，用于检测大气气溶胶分布、大气中颗粒物和某些气体的浓度。
背景技术
激光雷达(Light Detection and Ranging，Lidar)技术是一种主动式光学遥感探测技术，其在高度/空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力、以及实时监测等方面具有独特的优势。激光雷达技术已经广泛地应用于大气气溶胶分布监测，大气污染气体以及温室气体浓度分布测量，中高层大气温度场以及风场测量等诸多方面。
目前，传统的脉冲式激光雷达在国内外应用最为广泛。脉冲式激光雷达技术的硬件原理是向大气中发射纳秒量级的脉冲光并以时间分辨的方式探测其后向散射光的强度，从而实现了不同距离上大气回波信号的探测。然而，脉冲式气溶胶激光雷达系统的设计和维护成本却居高不下。这主要是由于两方面的原因：其一，是该技术需要的高性能纳秒量级脉冲光源如Nd:YAG激光器等，不仅成本高而且维护费用不菲；其二，是由于激光雷达信号与距离的平方成反比，系统对动态范围的要求非常高，不仅需要高灵敏探测器如光电倍增管等，而且需要高速模拟采样以及单光子计数技术等复杂的信号采样技术。而SLidar技术通过对发射到大气中的激光光束在满足Scheimpflug原理的条件下进行成像，以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号。基于该原理，SLidar技术可以使用大功率连续光光源(如二极管激光器)，以及CCD/CMOS传感器作为探测器，从而有效地克服了传统脉冲激光雷达技术在光源和光电检测方面系统复杂的困难。解决了三波长甚至更多波长激光雷达系统集成方面的难题，极大地降低了系统的结构和成本。为此，本发明设计了一种基于Scheimpflug原理的新型连续光激光雷达系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统，以解决上述背景技术中存在的问题。
本发明的技术方案：
一种基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统，包括激光发射装置、接收装置、底板1、激光器调制电路板21、温控模块电路板25、电脑主板28和计数器47，激光发射装置和接收装置分别固定在底板1的左右两端，激光器调制电路板21、温控模块电路板25、电脑主板28和计数器47固定在底板1上；
所述的激光发射装置，包括水平移动装置a2、激光器3、遮光盒a6、安装板a7、全反镜a10、遮光筒a14、凸透镜a19、透镜安装筒a20和摄像头a22；
所述的安装板a7通过安装板支架a8、安装板支架b9、安装板支架c17、安装板支架d24和安装板支架g48固定在底板1上；所述的底板1上设有多个滑块安装孔50，用于安装滑块；所述的安装板a7底部设有滑槽，与底板1上的滑块相配合，在螺丝没有完全拧紧的情况下发生旋转，以便于后期的视场调节；所述的全反镜a10通过反射镜支架a11固定在安装板a7上；所述的遮光筒a14，一端与全反镜a10连接，一端与透镜安装筒a20连接；所述的透镜安装筒a20通过镜筒固定架18固定在安装板a7上，透镜安装筒a20与遮光筒a14的中垂线重合，二者的中垂线垂直于侧壁23；所述的凸透镜a19置于透镜安装筒a20中；固定架a13、固定架b15和固定架c16将遮光筒a14固定在反光镜支架11和镜筒固定架18上，使全反镜a10、遮光筒a14和透镜安装筒a20形成整体，在系统旋转时不发生漂移；
所述的水平移动装置2固定安装在安装板a7上，位于全反镜a10的一侧；所述的激光器3，通过激光器安装架4安装在水平移动装置a2上，通过旋转水平移动装置a2的螺丝使激光器3在x轴方向上发生位移从而实现激光器3的调焦；所述的激光器安装架4的y轴和z轴方向上设有弹簧支架，使激光器安装架4在y轴和z轴方向发生位移，从而实现激光器3在x、y、z三个方向上的移动；
所述的遮光盒a6固定在安装板a7上，位于激光器3和全反镜a10之间；遮光盒a6的内部设有滤光片a5；所述的摄像头a22通过延长筒a12安装在遮光盒a6的一端，用于校准视场；激光器3发出的光信号经过滤光片a5，再通过全反镜a10之后进入遮光筒a 14，再经由凸透镜a19发射出去；
所述的接收装置，包括摄像头b30、凸透镜b32、透镜安装筒b33、遮光筒b35、全反镜b37、遮光盒b38、遮光盒c41、水平移动装置b42、CCD 43和安装板b44；
所述的安装板b44通过安装板支架e26和安装板支架f46固定在底板1上；所述的安装板b44底部设有滑槽45，与底板1上的滑块滑块相配合，在螺丝没有完全拧紧的情况下发生旋转，以便于后期的视场调节；所述的水平移动装置b42固定安装在安装板b44上；所述的CCD43通过三角形连接架a29固定安装在水平移动装置b42上，通过旋转水平移动装置b42上的螺丝来对CCD43进行调焦，CCD43将所得到的图像信息传递给电脑主板28并显示出来；
所述的遮光盒c41固定在安装板b44上，遮光盒c41位于CCD43的一侧，遮光盒c41内部设有滤光片b40；所述的摄像头b30通过延长筒b27安装在遮光盒c41的一端，用于校准视场；
所述的遮光盒b38固定在底板1上，位于遮光盒c41的一侧；遮光盒b38靠近遮光盒c41的一端的外部设有遮光筒b39，遮光筒b39内设有滤光片c49；三角形连接架a29、遮光盒c41、遮光筒b39和遮光盒b38依次连接形成一个整体，四者的中垂线与侧壁23平行；所述的全反镜b37通过反射镜支架b36固定安装在遮光盒b38另一端的内部；
所述的遮光筒b35固定安装在底板1上，一端穿过侧壁23，另一端与遮光盒b38相接触，与全反镜b37相互配合；遮光筒b35的两侧设有三角形连接架b31和三角形连接架c34，以固定侧壁23；所述的透镜安装筒b33安装在遮光筒b35上，位于侧壁23的外侧；所述的凸透镜b32安装在透镜安装筒b33上。
校准视场时，关闭激光器3，外界的光通过凸透镜a19，经由遮光筒a14之后被全反镜a10反射进入遮光盒a6，经由遮光盒a6中的滤光片a5的折射，部分光进入摄像头a22中；同时，外界的光通过凸透镜b32经由遮光筒b35之后被全反镜b37反射，反射光通过遮光筒b39后部分光被滤光片b40折射进入摄像头b30中，两束光的外界图像信息通过电脑主板28显示出来；通过调节安装板a7和反射镜支架b36的螺丝来实现视场的校准，使得摄像头a22和摄像头b30在观察远处的视场保持一致。
检测时，经由激光器3发出的激光信号被固定障碍物或大气气溶胶、气体分子吸收和后向散射之后的光信号通过凸透镜b32被接收，通过凸透镜b32的光信号在通过遮光筒b35之后被全反镜b37反射，再通过遮光筒b39中的滤波片c49滤去背景噪声提高信噪比，剩余的光信号通过滤波片b40被CCD43接收，CCD43将所得到的图像信息传递给电脑主板28进行处理并最终获得大气激光雷达信号。
本发明的有益效果：由于该系统是以角度分辨而非飞行时间分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号，从而可以使用大功率连续光光源(如二极管激光器)，以及CCD/CMOS传感器作为探测器，与传统的脉冲式气溶胶激光雷达系统相比具有结构简单，操作方便，成本低，可靠性高等特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为激光发射装置的局部放大图。
图3为接收装置的局部放大图。
图4为本发明的系统原理图。
图中：1底板；2水平移动装置a；3激光器；4激光器安装架；5滤光片a；6遮光盒a；7安装板a；8安装板支架a；9安装板支架b；10全反镜a；11反射镜支架a；12延长筒a；13固定架a；14遮光筒a；15固定架b；16固定架c；17安装板支架c；18镜筒固定架；19凸透镜a；20透镜安装筒a；21激光器调制电路板；22摄像头a；23侧壁；24安装板支架d；25温控模块电路板；26安装板支架e；27延长筒b；28电脑主板；29三角形连接架a；30摄像头b；31三角形连接架b；32凸透镜b；33透镜安装筒b；34三角形连接架c；35遮光筒b；36反射镜支架b；37全反镜b；38遮光盒b；39遮光筒b；40滤光片b；41遮光盒c；42水平移动装置b；43CCD；44安装板b；45滑槽；46安装板支架f；47计数器；48安装板支架g；49滤光片c；50滑块安装孔。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
一种基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统，由底板1、水平移动装置a2、激光器3、激光器安装架4、滤光片a5、遮光盒a6、安装板a7、安装板支架a8、安装板支架b9、全反镜a10、反射镜支架a11、延长筒a12、固定架a13、遮光筒a14、固定架b15、固定架c16、安装板支架c17、镜筒固定架18、凸透镜a19、透镜安装筒a20、激光器调制电路板21、摄像头a22、侧壁23、安装板支架d24、温控模块电路板25、安装板支架e26、延长筒b27、电脑主板28、三角形连接架a29、摄像头b30、三角形连接架b31、凸透镜b32、透镜安装筒b33、三角形连接架c34、遮光筒b35、反射镜支架b36、全反镜b37、遮光盒b38、遮光筒b39、滤光片b40、遮光盒c41、水平移动装置b42、CCD 43、安装板b44、滑槽45、安装板支架f46、计数器47、安装板支架g48、滤光片c49、滑块安装孔50组成。
底板1的四周设有螺丝孔，用于安装相应的安装板支架a8、安装板支架b9、安装板支架c17、安装板支架d24、安装板支架e26、安装板支架f46和安装板支架g48；在安装好相应支架后再将安装板a7、安装板b44通过螺丝与对应支架相连从而固定在底板1上，把反射镜支架a11、镜筒固定架18、水平移动装置a2、激光器安装架4以及遮光盒a6的支架通过螺丝固定在安装板a7上的相应位置，之后再将全反镜a10贴在反射镜支架a11上，把透镜安装筒a20放入镜筒固定架18上并与遮光筒a14相连通过螺丝固定，把激光器3固定在水平移动装置a2上，将固定架a13、固定架b15、固定架c16通过螺丝固定在反光镜支架a11和镜筒固定架18上，使装置更加牢靠，减小系统漂移，这时系统的发射装置安装完毕。在安装完发射部分之后，我们可以将侧壁23通过相应的螺丝孔和三角形连接架b31、三角形连接架c34与底板1固定，将透镜安装筒b33通过螺丝固定在侧壁23的外侧，把遮光筒b35固定在与之对应的内侧并与遮光盒b38通过螺丝相连，再将全反镜b37贴于反射镜支架b36上，并把安装板b44通过螺丝对应相应的螺孔固定在安装板支架e26、安装板支架f46和水平移动装置b42上，之后将三角形连接架a29固定在安装板a44上，先将滤光片b40放入遮光盒c41和遮光筒b39中，再用遮光盒c41和遮光筒b39把遮光盒b38、三角形连接架a29相连形成一个整体。再将一个CCD43和摄像头a22、摄像头b30分别置于三角形连接架a29、延长筒a12、延长筒b27上，分别安装好激光器调制电路板21、温控模块电路板25、电脑主板28、计数器47，连接好相关电源，并将滑块通过位于底板1上的滑块安装孔50固定在底板1的背面后则整个系统搭建完成。本发明是基于Scheimpflug原理的新型连续光激光雷达系统，具有结构简单、操作方便、成本低、可靠性高的特点。

Claims (2)

1.一种基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统，其特征在于，该系统包括激光发射装置、接收装置、底板(1)、激光器调制电路板(21)、温控模块电路板(25)、电脑主板(28)和计数器(47)，激光发射装置和接收装置分别固定在底板(1)的左右两端，激光器调制电路板(21)、温控模块电路板(25)、电脑主板(28)和计数器(47)固定在底板(1)上；
所述的激光发射装置，包括水平移动装置a(2)、激光器(3)、遮光盒a(6)、安装板a(7)、全反镜a(10)、遮光筒a(14)、凸透镜a(19)、透镜安装筒a(20)和摄像头a(22)；
所述的安装板a(7)通过安装板支架a(8)、安装板支架b(9)、安装板支架c(17)、安装板支架d(24)和安装板支架g(48)固定在底板(1)上；所述的底板(1)上设有多个滑块安装孔(50)，用于安装滑块；所述的安装板a(7)底部设有滑槽，与底板(1)上的滑块相配合，在螺丝没有完全拧紧的情况下发生旋转，以便于后期的视场调节；所述的全反镜a(10)通过反射镜支架a(11)固定在安装板a(7)上；所述的遮光筒a(14)，一端与全反镜a(10)连接，另一端与透镜安装筒a(20)连接；所述的透镜安装筒a(20)通过镜筒固定架(18)固定在安装板a(7)上，透镜安装筒a(20)与遮光筒a(14)的中垂线重合，二者的中垂线垂直于侧壁(23)；所述的凸透镜a(19)置于透镜安装筒a(20)中；固定架a(13)、固定架b(15)和固定架c(16)将遮光筒a(14)固定在反光镜支架(11)和镜筒固定架(18)上，使全反镜a(10)、遮光筒a(14)和透镜安装筒a(20)形成整体，在系统旋转时不发生漂移；
所述的水平移动装置(2)固定安装在安装板a(7)上，位于全反镜a(10)的一侧；所述的激光器(3)通过激光器安装架(4)安装在水平移动装置a(2)上，通过旋转水平移动装置a(2)的螺丝使激光器(3)在x轴方向上发生位移从而实现激光器(3)的调焦；所述的激光器安装架(4)的y轴和z轴方向上设有弹簧支架，使激光器安装架(4)在y轴和z轴方向发生位移，从而实现激光器(3)在x、y、z三个方向上的移动；
所述的遮光盒a(6)固定在安装板a(7)上，位于激光器(3)和全反镜a(10)之间；遮光盒a(6)的内部设有滤光片a(5)；所述的摄像头a(22)通过延长筒a(12)安装在遮光盒a(6)的一端，用于校准视场；激光器(3)发出的光信号经过滤光片a(5)，再通过全反镜a(10)之后进入遮光筒a(14)，再经由凸透镜a(19)发射出去；
所述的接收装置，包括摄像头b(30)、凸透镜b(32)、透镜安装筒b(33)、遮光筒b(35)、全反镜b(37)、遮光盒b(38)、遮光盒c(41)、水平移动装置b(42)、CCD(43)和安装板b(44)；
所述的安装板b(44)通过安装板支架e(26)和安装板支架f(46)固定在底板(1)上；所述的安装板b(44)底部设有滑槽(45)，与底板(1)上的滑块相配合，在螺丝没有完全拧紧的情况下发生旋转，以便于后期的视场调节；所述的水平移动装置b(42)固定安装在安装板b(44)上；所述的CCD(43)通过三角形连接架a(29)固定安装在水平移动装置b(42)上，通过旋转水平移动装置b(42)上的螺丝来对CCD(43)进行调焦，CCD(43)将所得到的图像信息传递给电脑主板(28)并显示出来；
所述的遮光盒c(41)固定在安装板b(44)上，遮光盒c(41)位于CCD(43)的一侧，遮光盒c(41)内部设有滤光片b(40)；所述的摄像头b(30)通过延长筒b(27)安装在遮光盒c(41)的一端，用于校准视场；
所述的遮光盒b(38)固定在底板(1)上，位于遮光盒c(41)的一侧；遮光盒b(38)靠近遮光盒c(41)的一端的外部设有遮光筒b(39)，遮光筒b(39)内设有滤光片c(49)；三角形连接架a(29)、遮光盒c(41)、遮光筒b(39)和遮光盒b(38)依次连接形成一个整体，四者的中垂线与侧壁(23)平行；所述的全反镜b(37)通过反射镜支架b(36)固定安装在遮光盒b(38)另一端的内部；
所述的遮光筒b(35)固定安装在底板(1)上，一端穿过侧壁(23)，另一端与遮光盒b(38)相接触，与全反镜b(37)相互配合；遮光筒b(35)的两侧设有三角形连接架b(31)和三角形连接架c(34)，以固定侧壁(23)；所述的透镜安装筒b(33)安装在遮光筒b(35)上，位于侧壁(23)的外侧；所述的凸透镜b(32)安装在透镜安装筒b(33)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统，其特征在于，
校准视场时，关闭激光器(3)，外界的光通过凸透镜a(19)，经由遮光筒a(14)之后被全反镜a(10)反射进入遮光盒a(6)，经由遮光盒a(6)中的滤光片a(5)的折射，部分光进入摄像头a(22)中；同时，外界的光通过凸透镜b(32)经由遮光筒b(35)之后被全反镜b(37)反射，反射光通过遮光筒b(39)后部分光被滤光片b(40)折射进入摄像头b(30)中，两束光的外界图像信息通过电脑主板(28)显示出来；通过调节安装板a(7)和反射镜支架b(36)的螺丝来实现视场的校准，使得摄像头a(22)和摄像头b(30)在观察远处的视场保持一致；
检测时，经由激光器(3)发出的激光信号被固定障碍物或大气气溶胶、气体分子吸收和后向散射之后的光信号通过凸透镜b(32)被接收，通过凸透镜b(32)的光信号在通过遮光筒b(35)之后被全反镜b(37)反射，再通过遮光筒b(39)中的滤波片c(49)滤去背景噪声提高信噪比，剩余的光信号通过滤波片b(40)被CCD(43)接收，CCD(43)将所得到的图像信息传递给电脑主板28进行处理并最终获得大气激光雷达信号。
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