CN113296122A - 一种激光雷达质量控制的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光雷达质量控制的装置，属于环境及气象监测设备技术领域，解决了现有臭氧激光雷达的精度不高的问题，其技术要点是：包括臭氧激光雷达系统，所述臭氧激光雷达系统用于确定脉冲光共同路径上的臭氧浓度，还包括臭氧激光雷达光路折转镜，所述臭氧激光雷达光路折转镜设置在臭氧激光雷达系统的一侧，所述臭氧激光雷达光路折转镜用于臭氧激光雷达在水平方向进行观测；路径校验模块，所述路径校验模块设置在臭氧激光雷达发射接收光路上超过500m的区域中，路径校验模块用于测量臭氧浓度；以及校验模块调节架，所述校验模块调节架设置在所述路径校验模块一侧，所述校验模块调节架用于支撑所述路径校验模块，具有精度更高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及环境及气象监测设备技术领域，具体是涉及一种激光雷达质量控制的装置。
背景技术
激光雷达(Lidar)是一种主动式的现代光学遥感设备，是传统的无线电或微波雷达(Radar)向光学频段的延伸。大气探测激光雷达以激光作为发射光源，依据大气对激光的散射和吸收等物理过程，通过定量的分析激光大气回波信号，来探测各种大气要素。与传统雷达的探测源相比，激光具有高亮度、高准直度以及短脉冲等特性，这使得激光雷达具有很高的空间、时间分辨能力和很高的探测灵敏度，很适合用于大气的探测和研究。
现有的臭氧激光雷达是基于大气臭氧的分子截面作为“内标法”的校准源，一定程度上可以实现O3的定量反演，但当臭氧激光实际应用于大气中测量时，O3分子截面在垂直高度上受到大气温度、大气压力的变化而产生较大的变化。
而上述反演的方法过程中采用相对稳定的臭氧分子截面不能完全精准反映臭氧激光雷达的测量结果，进而对环境及气象的预警预报和管理决策带来较大影响。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种激光雷达质量控制的装置，以解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光雷达质量控制的装置，包括臭氧激光雷达系统，所述臭氧激光雷达系统用于确定脉冲光共同路径上的臭氧浓度，还包括：
臭氧激光雷达光路折转镜，所述臭氧激光雷达光路折转镜设置在臭氧激光雷达系统的一侧，所述臭氧激光雷达光路折转镜用于臭氧激光雷达在水平方向进行观测；
路径校验模块，所述路径校验模块设置在臭氧激光雷达发射接收光路上超过500m的区域中，所述路径校验模块用于测量臭氧浓度；以及
校验模块调节架，所述校验模块调节架设置在所述路径校验模块一侧，所述校验模块调节架用于支撑所述路径校验模块。
作为本发明进一步的方案，所述臭氧激光雷达系统采用差分吸收激光雷达，差分吸收激光雷达方程是由两个激光波长分别为λon和λoff的激光雷达方程联合求解的结果,差分吸收激光雷达方程如下式所示：
其中，
式中：N(z)为距离z处待测吸收气体的数密度，P(λi,z)为波长λi距离z处的激光回波信号，δ(λi，T)为波长λi温度T时的待测气体吸收截面。BA、EA、EM和Eother分别为大气后向散射、大气气溶胶消光、大气分子消光和其它吸收气体吸收引起的修正项。β(λi,z)为波长λi高度z处的大气(包括大气分子和气溶胶)体积后向散射系数，
和
分别为大气分子和气溶胶对应于波长λi在高度z和z+Δz之间的平均消光系数。
为其它吸收气体的平均体积吸收系数。
作为本发明进一步的方案，所述路径校验模块包括：
特氟龙膜层，所述特氟龙膜层设置在路径校验模块内壁，所述特氟龙膜层用于防止臭氧的吸附及内壁的不均匀性；以及
参比点位，所述参比点位至少设置有四个。
作为本发明进一步的方案，所述参比点位设置有臭氧标准测量系统，所述臭氧标准测量系统包括臭氧发生器、零气发生气、标准参考光度计SRP、压力传感器(P)、温度传感器(T)。
作为本发明进一步的方案，所述路径校验模块长度超过30m，截面直径超过3m。
作为本发明进一步的方案，所述校验模块调节架固定连接路径校验模块，所述校验模块调节架用于三维结构调节、调距精度小于0.1m。
作为本发明进一步的方案，所述路径校验模块电路连接控制中心，所述控制中心用于将臭氧激光雷达的反演结果与路径校验模块数据进行快速比对，以及自动化控制调节校验模块调节架。
综上所述，本发明实施例与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明通过臭氧激光雷达系统在发出光路后，经过臭氧激光雷达光路折转镜(M1)后，可以使得臭氧激光雷达在水平方向进行观测，也为臭氧激光雷达系统的数据有效性提供了质量控制的可能性。在臭氧激光雷达发射接收光路上超过500m的区域中放置臭氧激光雷达标准物质路径校验模块。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为发明实施例的结构示意图。
附图标记：1-臭氧激光雷达光路折转镜、2-路径校验模块、3-校验模块调节架、4-控制中心、5-臭氧激光雷达系统。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
在一个实施例中，一种激光雷达质量控制的装置，参见图1，包括臭氧激光雷达系统5，所述臭氧激光雷达系统5用于确定脉冲光共同路径上的臭氧浓度，其特征在于，还包括：
臭氧激光雷达光路折转镜1，所述臭氧激光雷达光路折转镜1设置在臭氧激光雷达系统5的一侧，所述臭氧激光雷达光路折转镜1用于臭氧激光雷达在水平方向进行观测；
路径校验模块2，所述路径校验模块2设置在臭氧激光雷达发射接收光路上超过500m的区域中，所述路径校验模块2用于测量臭氧浓度；以及
校验模块调节架3，所述校验模块调节架3设置在所述路径校验模块2一侧，所述校验模块调节架3用于支撑所述路径校验模块2。
在本实施例中，臭氧激光雷达系统5在发出光路后，经过臭氧激光雷达光路折转镜1(M1)后，可以使得臭氧激光雷达在水平方向进行观测，也为臭氧激光雷达系统5的数据有效性提供了质量控制的可能性。在臭氧激光雷达发射接收光路上超过500m的区域中放置臭氧激光雷达标准物质路径校验模块2。
在一个实施例中，参见图1，所述臭氧激光雷达系统采用差分吸收激光雷达，差分吸收激光雷达方程是由两个激光波长分别为λon和λoff的激光雷达方程联合求解的结果,差分吸收激光雷达方程如下式所示：
其中，
式中：N(z)为距离z处待测吸收气体的数密度，P(λi,z)为波长λi距离z处的激光回波信号，δ(λi，T)为波长λi温度T时的待测气体吸收截面。BA、EA、EM和Eother分别为大气后向散射、大气气溶胶消光、大气分子消光和其它吸收气体吸收引起的修正项。β(λi,z)为波长λi高度z处的大气(包括大气分子和气溶胶)体积后向散射系数，
和
分别为大气分子和气溶胶对应于波长λi在高度z和z+Δz之间的平均消光系数。
为其它吸收气体的平均体积吸收系数。
在本实施例中，
为其它吸收气体的平均体积吸收系数，一般选择
和
差别很小的激光波长，这样，就可以忽略Eother项的影响，为了分析激光雷达研制方案中有关系统和环境参数对差分吸收激光雷达性能的影响，需要根据激光雷达方程进行数值模拟试验；为了由差分吸收激光雷达测量的回波信号得到待测气体成份的浓度，也需要根据激光雷达方程进行数值计算。
在一个实施例中，参见图1，所述路径校验模块2包括：
特氟龙膜层，所述特氟龙膜层设置在路径校验模块内壁，所述特氟龙膜层用于防止臭氧的吸附及内壁的不均匀性；以及
参比点位，所述参比点位至少设置有四个。
进一步的，所述参比点位设置有臭氧标准测量系统，所述臭氧标准测量系统包括臭氧发生器、零气发生气、标准参考光度计SRP、压力传感器(P)、温度传感器(T)。
进一步的，所述路径校验模块2长度超过30m，截面直径超过3m。
在本实施例中，该模块长度超过30m，截面直径超过3米，该校验模块内壁涂特氟龙膜层，防止臭氧的吸附及内壁的不均匀性。路径校验模块中共设置至少4个校准的参比点位，每个点位间隔7.5m，每个参比点位处有臭氧标准测量系统(Ozone-Si，其中i表示第i个校验点，i＝1，2，3，4)，臭氧标准测量系统由臭氧发生器、零气发生气(一般采用高纯N2作为零气)、标准参考光度计SRP、压力传感器(P)、温度传感器(T)组成。臭氧标准测量系统须提供不同梯度的臭氧浓度，梯度浓度是由O3发生器和N2的流量来共同调节，并注意混合均匀可参考如下数据(不少于7个点，参考HJ1099-2020)：0μg/m3(纯氮气)，50μg/m3、100μg/m3、150μg/m3、200μg/m3、300μg/m3、400μg/m3。SRP实时监测样品池内的实际臭氧浓度，将SRP监测数据Ci(i是每个浓度点的监测数据)和激光雷达监测数据Rj，(j是每个浓度点的监测数据)进行线性回归分析，以SRP监测数据为横轴，激光雷达监测数据为纵轴，计算回归曲线的斜率k、截距b和相关系数R。斜率应满足1±0.10；截距：(0±10)μg/m3；相关系数R≥0.95。
在一个实施例中，参见图1，所述校验模块调节架3固定连接路径校验模块2，所述校验模块调节架3用于三维结构调节、调距精度小于0.1m，所述路径校验模块电路连接控制中心4，所述控制中心4用于将臭氧激光雷达的反演结果与路径校验模块2数据进行快速比对，以及自动化控制调节校验模块调节架3。
在本实施例中，整个路径校验模块2(DIAL-QC)是固定在一个具有三维结构调节、调距精度优于(0.1m)的校验模块调节架3上。校验模块调节架3既实现整个路径校验模块的固定，同时实现该系统的三维调节，用于匹配激光雷达光路系统，另外还实现了水平距离的精准调节。
路径校验模块2的信号和数据可以实时传递回控制中心4(Controlcentre)，该控制中心4可以通过软件将臭氧激光雷达的反演结果与路径校验模块2数据进行快速比对，并且实时监控整个装置周围的温度、压力，也能够自动化控制调节校验模块调节架3。
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 (7)
1.一种激光雷达质量控制的装置，包括臭氧激光雷达系统，所述臭氧激光雷达系统用于确定脉冲光共同路径上的臭氧浓度，其特征在于，还包括：
臭氧激光雷达光路折转镜，所述臭氧激光雷达光路折转镜设置在臭氧激光雷达系统的一侧，所述臭氧激光雷达光路折转镜用于臭氧激光雷达在水平方向进行观测；
路径校验模块，所述路径校验模块设置在臭氧激光雷达发射接收光路上超过500m的区域中，所述路径校验模块用于测量臭氧浓度；以及
校验模块调节架，所述校验模块调节架设置在所述路径校验模块一侧，所述校验模块调节架用于支撑所述路径校验模块。
2.根据权利要求1所述的激光雷达质量控制的装置，其特征在于，所述臭氧激光雷达系统采用差分吸收激光雷达，差分吸收激光雷达方程是由两个激光波长分别为λon和λoff的激光雷达方程联合求解的结果,差分吸收激光雷达方程如下式所示：
其中，
式中：N(z)为距离z处待测吸收气体的数密度，P(λi,z)为波长λi距离z处的激光回波信号，δ(λi，T)为波长λi温度T时的待测气体吸收截面，BA、EA、EM和Eother分别为大气后向散射、大气气溶胶消光、大气分子消光和其它吸收气体吸收引起的修正项，β(λi,z)为波长λi高度z处的大气(包括大气分子和气溶胶)体积后向散射系数，
和
分别为大气分子和气溶胶对应于波长λi在高度z和z+Δz之间的平均消光系数，
为其它吸收气体的平均体积吸收系数。
3.根据权利要求1所述的激光雷达质量控制的装置，其特征在于，所述路径校验模块包括：
特氟龙膜层，所述特氟龙膜层设置在路径校验模块内壁，所述特氟龙膜层用于防止臭氧的吸附及内壁的不均匀性；以及
参比点位，所述参比点位至少设置有四个。
4.根据权利要求3所述的激光雷达质量控制的装置，其特征在于，所述参比点位设置有臭氧标准测量系统，所述臭氧标准测量系统包括臭氧发生器、零气发生气、标准参考光度计SRP、压力传感器(P)、温度传感器(T)。
5.根据权利要求3所述的激光雷达质量控制的装置，其特征在于，所述路径校验模块长度超过30m，截面直径超过3m。
6.根据权利要求1所述的激光雷达质量控制的装置，其特征在于，所述校验模块调节架固定连接路径校验模块，所述校验模块调节架用于三维结构调节、调距精度小于0.1m。
7.根据权利要求1所述的激光雷达质量控制的装置，其特征在于，所述路径校验模块电路连接控制中心，所述控制中心采用软件将臭氧激光雷达的反演结果与路径校验模块数据进行快速比对，以及自动化控制调节校验模块调节架。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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