CN110045392A - 一种用于扫描大气气溶胶的激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于扫描大气气溶胶的激光雷达系统，包括主控系统以及由主控系统控制的发射系统和接收系统；该激光雷达系统还包括、扫描平台、方位角步进电机、俯仰角步进电机、步进电机控制器；望远镜固定设于雷达外壳内部、上端开口位置处；激光器固定设于雷达外壳上，激光光轴与望远镜中心轴线平行；方位角步进电机的输出轴垂直设置，且与扫描平台固定相连；俯仰角步进电机为两个，置于扫描平台上方，且输出轴分别与雷达外壳两侧相连；主控系统通过步进电机控制器分别与方位角步进电机、俯仰角步进电机相连。本发明能够高精度地实现在不同情况下设定的扫描模式，对三维空间内分布的气溶胶自动进行体扫。

Description

一种用于扫描大气气溶胶的激光雷达系统
技术领域
本发明涉及一套扫描大气气溶胶的激光雷达系统，用于空间内大气气溶胶分布、演化情况的高精度连续探测。
背景技术
比较激光探测与微波电磁波探测两种气溶胶探测手段，激光具有波长短，峰值功率高、重复频率高、方向性好等优势。激光的波长与气溶胶粒子尺度位于同一数量级，使得激光与气溶胶、气体分子等大气中的微小粒子更好相互作用，高的重复频率使得激光雷达具有更高的距离分辨率。此外，作为一种主动遥感工具激光雷达的探测不受太阳辐射的影响，弥补了太阳光度计的不足，能实现全天候观测气溶胶的时空分布。
目前传统的气溶胶探测激光雷达为垂直向上发射激光，对气溶胶分布的取样有限，所测得的参数也具有一定的局限性。也有激光雷达系统能够改变探测的仰角，但均是通过人工旋转的方式进行的，不能实现连续不同方位处的探测。例如申请号201710417825.7户外全天候全天时大气气溶胶颗粒物激光雷达装置即是定向发射激光，无法得到空间内气溶胶的分布情况。申请号201221200846.0一种大气气溶胶立体监测系统，需要至少一个固定激光雷达一个移动激光雷达实现气溶胶的立体监测。申请号201810470647.9一种高精度大气颗粒物监测扫描偏振激光雷达系统，采用收发共路的收发系统，在收发光路离轴时，不易进行调节。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种方便进行不同方位探测、实现自动扫描模式的激光雷达系统。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种用于扫描大气气溶胶的激光雷达系统，包括主控系统以及由主控系统控制的发射系统和接收系统，发射系统采用激光器进行激光发射，接收系统采用望远镜进行后向散射信号接收；该激光雷达系统还包括雷达外壳、扫描平台、方位角步进电机、俯仰角步进电机、步进电机控制器；雷达外壳上端设有开口；望远镜置于雷达外壳内部、上端开口位置处；激光器固定设于雷达外壳上，且激光光轴与望远镜中心轴线平行；方位角步进电机的输出轴垂直设置，且与扫描平台固定相连；俯仰角步进电机为两个，固定设于扫描平台上方，且输出轴分别与雷达外壳两侧相连；主控系统通过串口通信与步进电机控制器相连；步进电机控制器分别与方位角步进电机、俯仰角步进电机相连。
通过激光器与望远镜的固定设置，保证扫描测量过程中激光光轴与望远镜轴线的平行，同时利用方位角步进电机、俯仰角步进电机可以进行方位角、俯仰角的调节，实现气溶胶三维空间分布的探测，并在调节时实现收发电路的同动。
其中，发射系统还包括扩束镜和45°反射镜；激光器发射激光依次经扩速镜、两块平行设置的45°反射镜后沿平行与望远镜轴线的方向进入大气。
进一步的，激光器采用全固态浦Nd：YAG固体激光器。
进一步的，接收系统还包括接收光路外壳、准直镜、窄带滤光片、汇聚透镜、光电倍增管、数据采集系统；所述准直镜、窄带滤光片、汇聚透镜置于接收光路外壳内；接收光路外壳顶端通过接口与望远镜相连；望远镜接收后向散射信号后，依次经准直镜、窄带滤光片、汇聚透镜后经雷达光电倍增管将光信号转换成电信号，由数据采集系统接收。
进一步的，扩束镜、45°反射镜均固定设于所述雷达外壳上。
进一步的，45°反射镜通过螺钉与所述雷达外壳螺纹连接。通过螺纹连接的设置，可以通过螺钉的旋入程度，对45°反射镜进行微调，从而调节接收系统、发射系统的视场，避免在使用过程中光路的偏移。
进一步的，数据采集系统采用P7882型光子计数卡，采样频率为200MHz。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明通过将扫描平台与激光雷达系统进行有效结合，利用方位角步进电机和俯仰角步进电机实现对望远镜的转动控制，从而实现激光雷达在系统软件中设定的扫描模式和转动步长分辨率对三维空间内分布的气溶胶自动进行高精度的扫描。
附图说明
图1为本发明激光雷达系统的结构示意图；
图2为本发明激光雷达系统的发射系统的光路示意图；
图3为本发明激光雷达系统的接收系统的光路示意图；
图4为本发明激光雷达系统的系统控制框图；
图中，1-雷达外壳，2-俯仰角步进电机，3-准直镜，4-滤光片，5-汇聚透镜，6-方位角步进电机，7-望远镜，8-45°反射镜，9-扩束镜，10-激光器，11-俯仰角步进电机，12-小孔，13-触发探测器，14-接口，15-接收光路外壳,16-小孔，17-准直镜，18-滤光片，19-汇聚透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1至3所示，本发明激光雷达系统采用全固态Nd：YAG激光器10，基频光经倍频后其发射波长为532 nm单脉冲能量为20μJ，脉冲重复频率为10Kh，扩束镜9安装在雷达外壳1上，望远镜7固定安装在雷达外壳1内，由此在扫描测量过程中能够保持激光光轴与望远镜轴线平行，45°反射镜8为两个，平行安装在雷达外壳8上。45°反射镜8通过螺钉进行螺纹连接，通过螺钉旋入程度对45°反射镜的角度进行微调，从而可调节接收系统、发射系统的视场，避免使用过程中形成的光路偏差。方位角步进电机6的输出轴垂直布置，且与扫描平台固定相连；俯仰角步进电机2、11为两个，固定设于扫描平台上方，且输出轴分别与雷达外壳1两侧相连。接收系统使用直径200mm的卡塞格林式望远镜7，通过扫描平台和方位角步进电机、俯仰角步进电机的设置，使得望远镜镜筒在上三维空间内内可自由转动。作为系统软件的一部分，编制了串口通信模块，该模块向步进电机控制器发送串口命令，能够方便的设置激光雷达的扫描方式，使激光雷达系统可以在三维空间范围内自由。接收光路外壳15通过接口14与望远镜7相连。依次经过小孔12、准直镜17准直、滤光片18滤光、汇聚透镜19汇聚后由光电倍增管PMT探测。通过主控系统利用串口通信控制雷达的扫描平面转动，得到气溶胶三维的空间分布的探测数据。三维扫描平台主要由方位角和仰角步进电机控制。通过使用步进电机控制器，角度扫描精度可以达到0.1°。数据采集系统的光子采集卡采样频率为200MHz，可实现最小距离分辨率为15m。当一个方向出光次数或积分时间达到设定值时，系统软件控制望远镜由一个固定角度转向另一个方向的探测，直至完成扫描测量。激光雷达系统可以按照需要进行体扫、锥扫或者扇扫。
如图4所示，系统工作时，首先设置扫描模式和扫描精度，在主控系统的控制下，激光器10发射532nm的激光进入大气中，以光电二极管探测得到的出光信号用作时间基点，触发光电倍增管门控和数据采集系统。触发探测器13接收到光触发光电倍增管门控作为数据采集系统开始工作的时间基点。大气的激光进入大气中与各种成分（大气分子、气溶胶粒子、云粒子、冰晶等）发生散射，后向散射被望远镜7接收并汇聚到光纤中，再经准直镜3、窄带滤光片4滤波降噪、汇聚透镜5后由PMT将光信转换成电信号，电信号由信号采集系统进行计数、存储。当一个方向出光次数或积分时间达到设定值时，主控系统控制望远镜7从一个固定角度转向另一个方向的探测，直至完成设定的扫描模式测量。主控系统通过串口通信控制方位角步进电机6改变方位角、控制俯仰角步进电机2、11改变雷达的俯仰角。

Claims (6)

1.一种用于扫描大气气溶胶的激光雷达系统，包括主控系统以及由主控系统控制的发射系统和接收系统，所述发射系统采用激光器进行激光发射，所述接收系统采用望远镜进行后向散射信号接收；其特征在于：所述激光雷达系统还包括雷达外壳、扫描平台、方位角步进电机、俯仰角步进电机、步进电机控制器；所述雷达外壳上端设有开口；所述望远镜固定设于雷达外壳内部、上端开口位置处；所述激光器固定设于雷达外壳上，且激光光轴与所述望远镜中心轴线平行；所述方位角步进电机的输出轴垂直布置，且与扫描平台固定相连；所述俯仰角步进电机为两个，置于扫描平台上方，且输出轴分别与雷达外壳两侧相连；所述主控系统通过RS232串口通信与所述步进电机控制器相连；所述步进电机控制器分别与方位角步进电机、俯仰角步进电机相连。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于：所述发射系统还包括扩束镜和45°反射镜；所述激光器发射激光依次经扩速镜、两块平行设置的45°反射镜后沿平行与所述望远镜轴线的方向进入大气。
3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于：所述激光器采用全固态Nd：YAG固体激光器。
4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于：所述接收系统还包括接收光路外壳、准直镜、窄带滤光片、汇聚透镜、光电倍增管、数据采集系统；所述准直镜、窄带滤光片、汇聚透镜置于所述接收光路外壳内；所述接收光路外壳顶端通过接口与望远镜相连；所述望远镜接收后向散射信号后，依次经准直镜、窄带滤光片、汇聚透镜后经光电倍增管将光信号转换成电信号，由数据采集系统采集和接收。
5.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于：所述扩束镜、45°反射镜均置于所述雷达外壳上。
6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其特征在于：所述45°反射镜通过螺钉与所述雷达外壳螺纹连接。
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