CN108872149A - 一种基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，包括一个或多个激光收发终端和云计算处理平台，激光收发终端包括发射机、接收机、调制信号发生器和光路及角度调节机构；在光路及角度调节机构作用下能够使发射机和接收机的光学系统满足沙氏成像原理，发射机的激光源采用连续光二极管激光器，由云计算处理平台执行大气回波信号后期处理任务。不仅极大地简化系统结构、降低系统成本，而且支持自动容错和动态扩展，支持采用更复杂先进的信号处理算法对系统性能进行自动升级，具有实时性、高可靠性、可伸缩性、高性价比等特点。

Description

一种基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统

技术领域

本发明涉及激光雷达网络领域，具体涉及一种基于沙氏成像原理的新型激光雷达网络。

背景技术

随着中国城市化进程的加快,随之而来的污染问题也越来越引起人们的广泛关注。目前传统的大气污染监测主要是基于定点采样观测技术去获得数据，仅能反映取样点很小范围内的空气污染程度。在垂直梯度观测的空间分析站点也非常有限,无法得到大气垂直方向污染分布,已越来越不能满足科学研究、大气环境监测以及国家决策的需求。如何利用现代科学手段有效监测城市大气环境污染程度、从而为有效管理提出科学定量的数据,已成为相关学科全新的研究课题。

针对当前严峻的大气污染问题，国内很多研究机构和企业均开始构建以点式监测仪器为基础的大气污染网络化监测平台。通过在城市内或城市间大量布设点式监测仪器，测量空气污染参数如PM2.5，PM10等，获取大量监测数据，最终在云平台上进行数据分析和处理，实现污染源的定位和追踪。但是，由于点式监测仪器仅能测量所在位置污染情况，因此要获得城市的整体污染情况分布图，需要安装大量的点式监测仪器，无疑极大的增加了环境监测成本。另外，该监测网络对于大气污染在垂直方向的分布，也无能为力。

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。作为一种先进的大气遥感探测技术，大气激光雷达技术在大气气象及大气污染探测方面发挥着重要的作用，并得到越来越广泛的应用。随着激光雷达技术的发展和日益趋于成熟，国内外均开展了构建激光雷达网开展区域性的探测和应用。国外发展较迅速，已陆续建立了多区域激光雷达监测网络，实现大气激光雷达数据的相互共享与分析，如由美国NASA建立的微脉冲激光雷达网(MPLNet)，欧洲气溶胶研究激光雷达网(European AerosolResearch Lidar Network,EARLINET)，以及亚洲沙尘激光雷达观测网。国内一些学者也已开始在区域多点激光雷达观测上进行相关尝试性研究，如兰州大学半干旱气候变化实验室建立的中国激光雷达网，安徽光机所大气成分与光重点学实验室建立的中国东部地区大气重要参数高分辨垂直分布探查数据库等。受限于传统脉冲式大气激光雷达技术系统复杂、维护成本高等问题，这些激光雷达监测网大部分属于跨地域监测网络，激光雷达系统布置稀疏，如欧洲的EARLINET监测网络每个国家也仅布置1-2台系统用于垂直观测。这类监测网络主要应用于区域间的大气污染或气溶胶的垂直观测，对于城市内或城市间的污染源定位、追踪以及扩散过程解析等还无能为力。

发明内容

本发明提供一种基于基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，解决传统脉冲式激光雷达技术面临的光源系统复杂、集成困难的技术难题，突破近距离探测盲区大的局限性以及大气气象/大气污染探测网络系统建设成本高昂等应用瓶颈。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种基于云平台数据处理网络化的大气颗粒物层析系统，包括一个或多个激光收发终端和云计算处理平台，激光收发终端包括发射机、接收机、调制信号发生器和光路及角度调节机构；在光路及角度调节机构作用下能够使发射机和接收机的光学系统满足沙氏成像原理，发射机的光源采用连续光二极管激光器，由云计算处理平台执行大气回波信号处理任务。

优选的，所述发射机包括连续光二极管激光器、光束准直结构、半导体制冷及加热器件、机械安装结构件。

优选的，所述接收机包括接收望远镜、窄带滤光片、图像传感器、信号转发器。

优选的，所述光路及角度调节机构包括导轨式激光器支架和发射机支架。

优选的，所述满足沙氏成像原理指光束准直结构光轴所在平面，接收望远镜主光学元件所在平面，图像传感器所在平面三者相交，从而实现从近距离到远距离的大范围内清晰成像。

优选的，所述导轨式激光器支架包括4根导轨和固定在光束准直结构上的环状导轨架，导轨一端固定机械安装结构件，另一端穿过环状导轨架。

优选的，所述发射机支架包括支架本体、旋转中心、锁紧螺栓和导向轴。

优选的，所述光束准直结构采用折射式天文望远镜。

优选的，所述连续光二极管激光器和半导体制冷及加热器件固定于机械安装结构件内。

优选的，所述接收望远镜采用牛顿反射式接收望远镜。

优选的，所述图像传感器采用面阵CCD或CMOS传感器，采集接收望远镜收集的大气后向散射光，并将其转化为数字电信号。

优选的，所述信号转发器包括：

信号采集器，对图像传感器提供的数字电信号进行缓冲和暂存；

网络接口，与云计算处理平台建立无线或有线通信连接并上传数字电信号。

优选的，所述图像传感器相对于所述牛顿反射式接收望远镜光轴存在一定的倾角，使得图像传感器所在平面与发射光束所在平面以及牛顿反射式接收望远镜主镜所在平面三者相交。

优选的，所述调制信号发生器接收来自所述图像传感器的曝光同步信号，产生对所述连续光二极管激光器的开-关调制信号。

优选的，所述云计算处理平台对来自激光收发终端的数字电信号进行大气回波信号处理和大气参数估计，云计算处理平台驻留的软件模块包括：

数据接收，接收来自所述激光收发终端的原始数据；

原始数据处理，通过数据有效、离群规则处理后产生有效数据和异常数据；

异常信息报警，通过邮件或短信方式通知运维处理异常数据(包括离群值、恒定值、干扰值、通讯异常值等)；

数据分析处理，对有效数据进行分类、聚合形成扫描扇面数据集合，集合数据按照滤波、反演算法被处理为业务所需要的强度数据或消光数据；

分析结果存储，将分析处理后的数据统一存放到结构化/非结构化数据库；

雷达成像处理，利用包括图形处理、GIS空间分析在内的计算机可视化技术，处理强度数据、消光数据以形成扫描结果图像信息；

文件存储，将图形信息以文件形式存储到磁盘阵列。

本发明的有益效果在于，大气颗粒物层析仪通过对发射到大气中的激光光束在满足沙氏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，通过使用连续光光源(如二极管激光器)，以及CCD/CMOS传感器作为探测器，能够极大地简化系统结构、降低系统成本。不仅有效解决了传统脉冲式激光雷达技术在光源和光电检测方面系统复杂的难题，而且通过使用矩形面阵传感器可将近场探测盲区缩短至80m甚至更短。基于云平台数据处理的大气监测沙氏激光雷达网采用先进的云计算处理技术，支持自动容错和动态扩展，支持采用更复杂先进的信号处理算法对系统性能进行自动升级，具有实时性、高可靠性、可伸缩性、高性价比等特点。

附图说明

图1是本发明的激光收发终端组成及装配图；

图2是本发明的导轨式激光器支架装配图；

图3是本发明的发射机支架装配图；

图4是本发明的云计算平台大气回波信号处理流程图；

图5是本发明的大气颗粒物层析系统组网示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明以沙氏成像原理和云计算技术为基础，提供了一整套网络化大气颗粒物层析系统的工程化方案，激光收发终端结构如附图1至3所示。网络化大气颗粒物层析系统主要由多个激光收发终端和云计算处理平台通过有线或无线网络连接而成。激光收发终端包括发射机1、接收机2、调制信号发生器和光路及角度调节机构。本系统采用约翰逊计数器作为方波调制信号发生器。

发射机1包括连续光二极管激光器、光束准直结构11、半导体制冷及加热器件、机械安装结构件12。为了增大激光雷达的探测距离，可以选用高功率二极管激光器；光束准直结构11则采用折射式天文望远镜。将高功率二极管激光器安装在具备半导体制冷及加热功能的机械安装结构件12内，通过精确控制二极管激光器芯片的温度和电流，可以调节二极管激光器的工作波长。安装好的二极管激光器接入到折射式天文望远镜中，经主透镜准直后发射到大气中。为了减小光束的发散角，同时优化二极管激光器光束通过透镜的几何透过率，一般选取焦距为600mm、口径为100mm的折射式望远镜(焦比F6)。

激光器对于温度是非常敏感，温度会直接影响到半导体激光器的工作参数，比如阈值电流、V-I关系、输出波长、P-I关系等，同时高温也会对激光器的使用寿命和效率产生极大的影响。大气监测激光雷达工作于野外环境，必须在二极管激光器的机械安装结构件内配备半导体制冷及加热器件，精确控制激光二极管的温度,确保其工作温度能够稳定在恰当的范围之内。

接收机2包括接收望远镜21、窄带滤光片、图像传感器、信号转发器。窄带滤光片、图像传感器和信号转发器组成的接收组件22与接收望远镜21固定连接。发射到大气中的激光光束将会被大气颗粒物及分子所吸收和散射。其中，后向散射信号由牛顿反射式接收望远镜(焦距800mm，口径200mm)收集，经窄带滤光片滤去背景光后最终成像到图像传感器上。图像传感器相对于牛顿望远镜光轴的倾角一般设计为45°。在进行大气测量时，为了排除太阳背景信号对激光雷达回波信号的影响，不仅需要使用窄带的干涉滤光片抑制背景信号的强度，还需要对二极管激光器的发射光强进行开-关调制。由图像传感器产生的曝光时钟信号触发约翰逊计数器产生调制方波信号，该方波信号触发二极管激光器驱动电路板产生方波电流，从而实现对二极管激光器发射光强的方波调制。

图像传感器输出数字电信号至信号转发器，由信号转发器完成大气后向散射信号的预处理。信号转发器由信号采集器、和网络接口组成。信号采集器对数字电信号进行缓存，根据暂存大气回波信号原始数据量的大小，信号采集器可以由单个存储单元或存储器组构成。网络接口通过有线或者无线通信网络向云计算处理平台传输数据。为了节省网络数据流量、提高传输效率，可以在信号转发器中添加编码器对待上传的数字图像信号进行压缩编码。

在保证发射机和接收机的光轴间隔约为806mm的条件下，系统的主要光学结构，即发射机或发射光束所在平面，图像传感器所在平面，以及接收机的主光学元件所在平面三者相交，从而满足沙氏成像原理。通过调节激光发射端的角度使得激光光束位于接收望远镜的视场中心，实现从近距离到远距离的大范围内清晰成像。本系统的光路及角度调节机构包括导轨式激光器支架41和发射机支架42。导轨式激光器支架由4根导轨411和固定在光束准直结构上的环状导轨架412组成，导轨411一端固定机械安装结构件12(内置二极管激光器和半导体制冷及加热器件)，另一端穿过环状导轨架412。在系统投入使用前，机械安装结构件12利用导轨可以相对于光束准直结构移动，调节激光器的焦距。光束准直结构11通过发射机支架活动连接云台5的一侧，接收机2固定于云台5的另一侧。发射机支架42由支架本体、旋转中心421、锁紧螺栓422和导向轴423组成。安装调试阶段，将光束准直结构11相对于云台5以旋转中心为轴线转动一定角度，与接收望远镜21之间形成恰当的夹角，然后使用锁紧螺栓422固定。由于激光发射端与接收望远镜21之间的夹角非常小(一般小于1度)，难以直接测量。因此一般通过测量远距离固定物体(如楼顶等)的回波信号在图像传感器上的位置来校准像素和距离之间的关系。

本发明基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，就是由部署在不同地理位置的多个激光收发终端和云计算处理平台组成的一个云计算平台激光遥感监测网络。网络中所有激光收发终端取得的数据全部上传云计算平台进行大气回波信号处理。

图4是本发明的云计算平台大气回波信号处理流程图。流程描述如下：

1、激光收发终端将探测的原始数据通过MQTT协议发送给平台数据接收。

2、平台接收到设备原始数据后，通过数据有效、离群等规则处理后产生有效数据和异常数据(包括离群值、恒定值、干扰值、通讯异常值等)。假如原始数据在发送端进行了编码，例如为了减少传输数据量而实施压缩编码，则在平台端需要对接收到的数据进行相应的解码操作。

3、对于有效数据，将进入数据分析处理流程；异常数据会通过邮件、短信等方式通知运维处理。

4、数据分析流程将自动对有效数据进行分类、聚合形成扫描扇面数据集合。集合数据按照滤波、反演算法被处理为业务所需要的强度数据、消光数据等。处理后的数据将被统一存放到结构化/非结构化数据库。

5、强度数据、消光数据会进入雷达成像处理流程，利用图形处理、GIS空间分析等计算机可视化技术，形成扫描结果图像信息，图形信息以文件形式存储到磁盘阵列。

图5是本发明的大气颗粒物层析系统组网示意图。整个基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统运作和为用户(气象、环境等政府部门及其他用户)服务的过程如下：

1、设备通过4G网络将扫描数据实时传输到云平台。

2、通过云平台防火墙和安全网关验证后的数据进入数据分析服务器集群。

3、经过分析处理后的数据存储在数据库/文件服务器内。

4、用户可以通过应用服务器的网址服务访问和管理设备扫描结果。

5、系统使用邮件、短信方式将报警信息推送给设备运维。

Claims (15)

1.一种基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，包括一个或多个激光收发终端和云计算处理平台，激光收发终端包括发射机(1)、接收机(2)、调制信号发生器和光路及角度调节机构，其特征在于，在光路及角度调节机构作用下能够使发射机(1)和接收机(2)的光学系统满足沙氏成像原理，发射机(1)的光源采用连续光二极管激光器，由云计算处理平台执行大气回波信号处理任务。

2.根据权利要求1所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述发射机(1)包括连续光二极管激光器、光束准直结构(11)、半导体制冷及加热器件、机械安装结构件(12)。

3.根据权利要求1或2所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述接收机(2)包括接收望远镜(21)、窄带滤光片、图像传感器、信号转发器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述光路及角度调节机构包括导轨式激光器支架(41)和发射机支架(42)。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述满足沙氏成像原理指光束准直结构(11)光轴所在平面，接收望远镜(21)主光学元件所在平面，图像传感器所在平面三者相交，实现从近距离到远距离的大范围内清晰成像。

6.根据权利要求4所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述导轨式激光器支架(41)包括4根导轨(411)和固定在光束准直结构(11)上的环状导轨架(412)，导轨(411)一端固定机械安装结构件(12)，另一端穿过环状导轨架(412)。

7.根据权利要求4所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述发射机支架(42)包括支架本体、旋转中心(421)、锁紧螺栓(422)和导向轴(423)。

8.根据权利要求2所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述光束准直结构(11)采用折射式天文望远镜。

9.根据权利要求2所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述连续光二极管激光器和半导体制冷及加热器件固定于机械安装结构件(12)内。

10.根据权利要求3所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述接收望远镜(21)采用牛顿反射式接收望远镜。

11.根据权利要求3所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述图像传感器采用面阵CCD或CMOS传感器，采集接收望远镜收集的大气后向散射光，将其转化为数字电信号。

12.根据权利要求3所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述信号转发器包括：

信号采集器，对图像传感器提供的数字电信号进行缓冲和暂存；

网络接口，与云计算处理平台建立无线或有线通信连接并上传数字电信号。

13.根据权利要求10所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述图像传感器相对于所述牛顿反射式接收望远镜光轴存在一定的倾角，使得图像传感器所在平面与发射光束所在平面以及牛顿反射式接收望远镜主镜所在平面三者相交。

14.根据权利要求3所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述调制信号发生器接收来自所述图像传感器的曝光同步信号，产生对所述连续光二极管激光器的开-关调制信号。

15.根据权利要求1所述的基于云平台数据处理的网络化大气颗粒物层析系统，其特征在于，所述云计算处理平台对来自激光收发终端的数字电信号进行大气回波信号处理以及大气参数估计，云计算处理平台驻留的软件模块包括：

数据接收，接收来自所述激光收发终端的原始数据；

原始数据处理，通过数据有效、离群规则处理后产生有效数据和异常数据；

异常信息报警，通过邮件或短信方式通知运维处理异常数据；

数据分析处理，对有效数据进行分类、聚合形成扫描扇面数据集合，集合数据按照滤波、反演算法被处理为业务所需要的强度数据或消光数据；

分析结果存储，将分析处理后的数据统一存放到结构化/非结构化数据库；

雷达成像处理，利用包括图形处理、GIS空间分析在内的计算机可视化技术，处理强度数据、消光数据以形成扫描结果图像信息；

文件存储，将图形信息以文件形式存储到磁盘阵列。