CN114114323A - 一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,涉及激光探测技术领域,激光器发出的激光经过倍频单元进行转化,然后发射出对应波长的探测激光,然后使得探测激光通过生物气溶胶,探测激光在通过生物气溶胶后,会诱导激发荧光并发生米散射现象,荧光以及米散射现象产生的米散射回光波通过同轴光路重新返回,在远距离探测气溶胶团时,除可以获得二维平面内气溶胶方位及轴向距离外,通过计算机软件控制整合扫描头的转动,不需移动激光器,根据探测回波信号光的时间差与空间探测角度,即可实时确定生物气溶胶的三维位置与空间分布,扩展了系统探测空间范围,实现多地点多角度的气溶胶分布探测,提高系统测量精确度。
Description
技术领域
本发明属于激光探测技术领域,具体是一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达。
背景技术
生物气溶胶是指悬浮于空气中的生物质(微生物,植物或动物),是从陆地和海洋生态系统释放到大气中的颗粒的一个子类别。其大小在空气动力学直径范围内从1μm到100μm不等,与惰性“尘埃”颗粒一样,所有的生物气溶胶都受重力定律的控制,并受到湍流和扩散传输的空气运动影响。大气中生物气溶胶与人体状况息息相关,部分生物气溶胶会导致某些人类疾病,一些非感染性气道疾病有关,如过敏和哮喘等也与生物气溶胶有关,此外,生物气溶胶还可用于生物战剂。因此,通过各种探测手段来监测大气中生物气溶胶的分布及其浓度规律具有重要的科学价值,是日后对生物气溶胶进行科学研究及合理防控的重要依据;
现有的用于环境生物气溶胶探测的激光雷达多为车载式激光雷达,可以实现二维平面内的扫描探测,只能确定环境生物气溶胶团的方位及轴向探测距离等,且探测不便,此外激光雷达的分析结果也较为单一,时空连续性较差;为此,现提供一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,包括控制中心、光发射机、光接收机、信号采集模块以及信号处理模块;
所述光发射机由一个能产生固定频率激光脉冲的基频激光器和不同数量的倍频单元组成,所述倍频单元用于对激光器发出的激光按照需求进行转换;然后根据实际情况对倍频单元进行选择;
所述光接收机包括扫描头和用于调整扫描头的转动云台,用于进行三维扫描;
所述信号采集模块用于采集探测激光所获取到的信号;
所述信号处理模块用于对信号采集模块获取到的信号数据进行处理。
进一步的,倍频单元对激光进行转换的过程包括:获取激光器发射的激光的波长记为原始波长;对倍频单元进行编号,然后获取倍频单元的放大倍率,获取所需要发射的激光的波长记为发射波长,选择相应的倍频单元。
进一步的,倍频单元的选择过程包括:获得激光放大倍率值;将倍频单元中的放大倍率中的最大值记为Rmax,将倍频单元中的放大倍率中的最小值记为Rmin;并将激光放大倍率值BL分别与Rmax和Rmin进行比较,然后选定倍频单元,将激光通过选定的倍频单元,实现激光的转化。
进一步的,激光器发出的激光经过倍频单元进行转化,然后发射出对应波长的探测激光,然后使得探测激光通过生物气溶胶,探测激光在通过生物气溶胶后,会诱导激发荧光并发生米散射现象,荧光以及米散射现象产生的米散射回光波通过同轴光路重新返回。
进一步的,扫描头进行探测扫描的过程包括:通过时序电路控制扫描头按照固定的扫描轨迹进行运转;扫描头安装在转动云台上,转动云台能够进行水平方向的转动,扫描头自身能够进行竖直方向的转动,获取扫描头的扫描区域以及扫描方向;对扫描区域内的光波信号按照时序扫描周期进行探测扫描。
进一步的,扫描头的扫描轨迹为固定路线。
进一步的,信号采集模块的信号采集过程包括:根据扫描头的探测范围建立三维模型,并在三维模型内搭建三维坐标系;获取扫描头的所获取到的米散射回光波以及荧光信号,并将获取到的米散射回光波以及荧光信号在扫描区域内的具体位置进行标记,同时获得米散射回光波以及荧光信号所在位置的坐标位置。
进一步的,信号处理模块对信号的处理过程包括:根据获取到的米散射回光波以及荧光信号所在位置的坐标位置,映射至三维坐标内,形成生物气溶胶三维分布图;根据扫描头的探测角度,将三维分布图的视角调整至与扫描头探测角度一致。
本发明的有益效果:激光器发出的激光经过倍频单元进行转化,然后发射出对应波长的探测激光,然后使得探测激光通过生物气溶胶,探测激光在通过生物气溶胶后,会诱导激发荧光并发生米散射现象,荧光以及米散射现象产生的米散射回光波通过同轴光路重新返回,在远距离探测气溶胶团时,除可以获得二维平面内气溶胶方位及轴向距离外,通过计算机软件控制整合扫描头的转动,不需移动激光器,根据探测回波信号光的时间差与空间探测角度,即可实时确定生物气溶胶的三维位置与空间分布,此外,本发明也可以用于车载集成,扩展了系统探测空间范围,实现多地点多角度的气溶胶分布探测,提高系统测量精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达的原理框图。
具体实施方式
由于探测激光的不同,目前应用广泛的气溶胶激光雷达分为微脉冲激光雷达、双波长激光雷达和多波长激光雷达等,运载平台多以地基固定式和车载式为主。固定式激光雷达体积大且不可移动,但探测精度高,能随时更新探测数据。车载式激光雷达是将激光雷达安装在移动监测车内,对大气环境进行垂直/走航扫描、水平扫描、锥型扫描和剖面扫描,同时记录移动轨迹,确定空间气溶胶垂直分布特征,经后期整合处理实现三维分布探测。
现有的用于大气气溶胶探测的激光雷达主要构成包括激光发射单元、接收光学单元、信号采集与探测单元、运行控制单元和光学转换处理单元等,激光发射单元根据不同的探测原理发射对应波长的激光,接受光学单元接受对应的回波信号光,部分激光雷达添加光学转换处理单元对回波光进行如滤光、干涉、偏振等光学处理,信号采集与探测单元采用信号放大和高频高精度采集技术,提高微弱光信号的测量灵敏度和准确性。
如图1所示,一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,包括控制中心、光发射机、光接收机、信号采集模块以及信号处理模块;
所述光发射机由一个能产生固定频率激光脉冲的基频激光器和不同数量的倍频单元组成,所述倍频单元用于对激光器发出的激光按照需求进行转换,具体转换过程包括以下步骤:
步骤B1:获取激光器发射的激光的波长记为原始波长,并将原始波长标记为YB;
步骤B2:对倍频单元进行编号,并将编号记为i,i=1,2,……,n,n为整数;然后获取倍频单元的放大倍率,并将倍频单元的放大倍率标记为Ri;
步骤B3:获取所需要发射的激光的波长记为发射波长,并将发射波长标记为FB;
步骤B4:根据发射波长,选择相应的倍频单元。
需要进一步说明的是,在具体实施过程中,倍频单元的选择过程具体包括:
步骤X1:通过公式BL=FB/YB获得激光放大倍率值BL;
步骤X2:将倍频单元中的放大倍率中的最大值记为Rmax,将倍频单元中的放大倍率中的最小值记为Rmin;并将激光放大倍率值BL分别与Rmax和Rmin进行比较;
需要进一步说明的是,在具体实施过程中,若BL≥Rmax时,则将放大倍率中的最大值对应的倍频单元进行选定,作为第一使用倍频单元,且需要选择第二个倍频单元,则通过公式BL2=BL/Rmax获得第二激光放大倍率值BL2;则将BL2与放大倍率中第二大的倍频单元的放大倍率进行比较,若BL2比放大倍率中第二大的倍频单元的放大倍率大,则将放大倍率中第二大的倍频单元进行选定作为第二使用倍频单元,以此类推;若BL≤Rmin时,则将放大倍率中的最小值对应的倍频单元进行选定;若Rmin<BL<Rmax,则通过公式BX=|BL-Ri|获得倍率差值系数BX,然后将BX中的最小值所对应的倍频单元进行选定;
步骤X3:将激光通过选定的倍频单元,实现激光的转化。
需要进一步说明的是,在具体实施过程中,激光器发出的激光经过倍频单元进行转化,然后发射出对应波长的探测激光,然后使得探测激光通过生物气溶胶,探测激光在通过生物气溶胶后,会诱导激发荧光并发生米散射现象,荧光以及米散射现象产生的米散射回光波通过同轴光路重新返回。
所述光接收机包括扫描头和用于调整扫描头的转动云台,用于进行三维扫描,具体过程包括以下步骤:
步骤G1:通过时序电路控制扫描头按照固定的扫描轨迹进行运转;需要进一步说明的是,在具体实施过程中,扫描头安装在转动云台上,转动云台能够进行水平方向的转动,从而能够使得扫描头接收水平方向上的所有信号,扫描头自身能够进行竖直方向的转动,结合转动云台,使得扫描头能够获得360°全方位的扫描探测角度,其中,扫描头的扫描轨迹为固定路线;
步骤G2:获取扫描头的扫描区域以及扫描方向,并将扫描区域以及扫描方向发送至信号采集模块;
步骤G3:对扫描区域内的光波信号按照时序扫描周期进行探测扫描。
需要进一步说明的是,在具体实施过程中,在扫描区域内进行运转时,根据时序扫描周期,会周期性的对扫描区域内进行一次扫描探测,然后将扫描探测的结果发送至信号采集模块。
所述信号采集模块用于采集探测激光所获取到的信号,具体过程包括以下步骤:
步骤C1:根据扫描头的探测范围建立三维模型,并在三维模型内搭建三维坐标系;
步骤C2:获取扫描头的所获取到的米散射回光波以及荧光信号,并将获取到的米散射回光波以及荧光信号在扫描区域内的具体位置进行标记,同时获得米散射回光波以及荧光信号所在位置的坐标位置;
步骤C3:将信号采集模块获取到的信号数据发送至信号处理模块。
需要进一步说明的是,在具体实施过程中,光发射机发射对应波长的探测激光,探测激光通过生物气溶胶后诱导激发荧光并发生米散射现象,光接收机接受沿同轴光路返回的荧光及米散射回波光。在工作过程中,系统通过时序电路控制三维扫描头按固定模式水平和垂直转动,实现全空间三维扫描,然后获得扫描信号,从而使得能够获得更大的探测角度。
所述信号处理模块用于对信号采集模块获取到的信号数据进行处理,具体处理过程包括以下步骤:
步骤S1:根据获取到的米散射回光波以及荧光信号所在位置的坐标位置,映射至三维坐标内,形成生物气溶胶三维分布图;
步骤S2:根据扫描头的探测角度,将三维分布图的视角调整至与扫描头探测角度一致;
步骤S3:完成对三维分布图的处理,并进行保存。
需要进一步说明的是,在具体实施过程中,为减小扫描头重量,可以将光发射机与扫描头分离,通过折反射镜、棱镜等组成的光学系统将出射光路调节至与光接收机同轴,从而保证在进行探测扫描时始终保持同轴出射。通过将光发射机与光接收机固定在三维扫描头中,采用同轴光学系统,提高了系统的稳定性;此外,也可以采用非同轴系统,将光发射机、光接收机与扫描头分离,三维扫描头用折反射棱镜系统代替,通过机械控制旋转折反射棱镜系统,改变光路出射光轴方向,同时接收望远镜始终与出射光路平行,实现对环境生物气溶胶的三维空间扫描。
在本发明所提供的实施例中,应该理解到,所揭露的设备,装置和方法,可以通过其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述模块的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式;所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的,作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方法的目的。
最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方法的精神和范围。
Claims (8)
1.一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,其特征在于,包括控制中心、光发射机、光接收机、信号采集模块以及信号处理模块;
所述光发射机由一个能产生固定频率激光脉冲的基频激光器和不同数量的倍频单元组成,所述倍频单元用于对激光器发出的激光按照需求进行转换;然后根据实际情况对倍频单元进行选择;
所述光接收机包括扫描头和用于调整扫描头的转动云台,用于进行三维扫描;
所述信号采集模块用于采集探测激光所获取到的信号;
所述信号处理模块用于对信号采集模块获取到的信号数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,其特征在于,倍频单元对激光进行转换的过程包括:获取激光器发射的激光的波长记为原始波长;对倍频单元进行编号,然后获取倍频单元的放大倍率,获取所需要发射的激光的波长记为发射波长,选择相应的倍频单元。
3.根据权利要求2所述的一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,其特征在于,倍频单元的选择过程包括:获得激光放大倍率值;将倍频单元中的放大倍率中的最大值记为Rmax,将倍频单元中的放大倍率中的最小值记为Rmin;并将激光放大倍率值BL分别与Rmax和Rmin进行比较,然后选定倍频单元,将激光通过选定的倍频单元,实现激光的转化。
4.根据权利要求3所述的一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,其特征在于,激光器发出的激光经过倍频单元进行转化,然后发射出对应波长的探测激光,然后使得探测激光通过生物气溶胶,探测激光在通过生物气溶胶后,会诱导激发荧光并发生米散射现象,荧光以及米散射现象产生的米散射回光波通过同轴光路重新返回。
5.根据权利要求4所述的一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,其特征在于,扫描头进行探测扫描的过程包括:通过时序电路控制扫描头按照固定的扫描轨迹进行运转;扫描头安装在转动云台上,转动云台能够进行水平方向的转动,扫描头自身能够进行竖直方向的转动,获取扫描头的扫描区域以及扫描方向;对扫描区域内的光波信号按照时序扫描周期进行探测扫描。
6.根据权利要求5所述的一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,其特征在于,扫描头的扫描轨迹为固定路线。
7.根据权利要求6所述的一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,其特征在于,信号采集模块的信号采集过程包括:根据扫描头的探测范围建立三维模型,并在三维模型内搭建三维坐标系;获取扫描头所获取到的米散射回光波以及荧光信号,并将获取到的米散射回光波以及荧光信号在扫描区域内的具体位置进行标记,同时获得米散射回光波以及荧光信号所在位置的坐标位置。
8.根据权利要求5所述的一种环境生物气溶胶探测的三维扫描激光雷达,其特征在于,信号处理模块对信号的处理过程包括:根据获取到的米散射回光波以及荧光信号所在位置的坐标位置,映射至三维坐标内,形成生物气溶胶三维分布图;根据扫描头的探测角度,将三维分布图的视角调整至与扫描头探测角度一致。
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