CN114814885A - 一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光雷达技术领域，公开了一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统，包括：光源模块，用于发射脉冲激光，以使脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；光学收发模块，用于接收并聚焦后向散射信号；滤光模块，用于对后向散射信号进行滤光处理；探测采集模块，用于对处理后的光信号进行信号转换，得到数字信号；工控机，与光源模块和探测采集模块连接，用于控制光源模块进行往复扫频运动，根据探测采集模块得到的数字信号获取不同位置的转动拉曼信号的廓线信息，并拟合廓线的形状反演大气温度信息。这样由于信号接收及转换均使用相同器件，能够保证整体测量的准确性，可获取准确的温度反演结果。

Description

一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统。

背景技术

目前，激光雷达系统中，为了测量大气温度信号，通常使用检测大气回波转动拉曼信号的方式，并通过检测拉曼高量子通道及拉曼低量子通道的信号强度，将两路信号做比值，进行反演测量。

由于拉曼信号强度很弱，信噪比无法达到很高的数值，现有的激光雷达系统需要将波长差异很小的微弱拉曼信号提取出来，还要尽量避免强烈的本振信号干扰，因此需要设计复杂的分光结构，并搭建光程较长的分光光路，并且使用不同的探测器与采集器对分离出的信号进行光电转换与信号采集。但是较为复杂的分光设计，长光程的分光光路结构将不可避免地在两路拉曼信号的探测中引入光学偏差；不同的探测器与信号采集电路，也会引入系统偏差。而温度反演需要将两路信号进行除法处理，将进一步放大信号偏差所产生的温度反演误差。

因此，如何解决大气温度反演结果会发生偏差的问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统，可以保证整体测量的准确性，获取准确的温度反演结果。其具体方案如下：

一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统，包括：

光源模块，用于发射脉冲激光，以使所述脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；

光学收发模块，用于接收并聚焦所述后向散射信号；

滤光模块，用于对所述后向散射信号进行滤光处理；

探测采集模块，用于对处理后的光信号进行信号转换，得到数字信号；

工控机，与所述光源模块和所述探测采集模块连接，用于控制所述光源模块进行往复扫频运动，根据所述探测采集模块得到的数字信号获取不同位置的转动拉曼信号的廓线信息，并拟合廓线的形状反演大气温度信息。

优选地，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，还包括：

小孔光阑，位于所述光学收发模块的焦点处，用于限制所述后向散射信号的背景光强度。

优选地，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，所述滤光模块包括：

准直透镜，用于将所述后向散射信号变为平行光；

滤光片，用于将所述平行光进行滤光处理；

聚焦透镜，用于将滤光处理后的所述平行光进行聚焦。

优选地，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，所述小孔光阑、所述准直透镜、所述滤光片和所述聚焦透镜的中心均处于同一竖直光轴上。

优选地，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，所述探测采集模块包括：

光电探测器，用于接收并转换所述聚焦透镜聚焦后的光信号，得到电信号；

数据采集板，用于将所述电信号转为数字信号，并传输至所述工控机。

优选地，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，所述光源模块包括可调谐激光器。

优选地，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，所述滤光片为中心波长为

的窄带滤波片；所述可调谐激光器的波长在

至

范围内进行调谐；其中

为转动拉曼波长信号变化的最大值。

优选地，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，所述光学收发模块包括望远镜。

优选地，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，所述工控机，还用于对弹性散射信号进行探测，同时获取大气气溶胶信息。

优选地，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，所述工控机，还用于选定所述光源模块发射的激光波长中的两个波长，以使通过所述滤光模块的转动拉曼信号对应拉曼高量子通道信号及拉曼底量子通道信号，并根据所述拉曼高量子通道信号与所述拉曼底量子通道信号的比值反演大气温度信息。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统，包括：光源模块，用于发射脉冲激光，以使脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；光学收发模块，用于接收并聚焦后向散射信号；滤光模块，用于对后向散射信号进行滤光处理；探测采集模块，用于对处理后的光信号进行信号转换，得到数字信号；工控机，与光源模块和探测采集模块连接，用于控制光源模块进行往复扫频运动，根据探测采集模块得到的数字信号获取不同位置的转动拉曼信号的廓线信息，并拟合廓线的形状反演大气温度信息。

本发明提供的上述扫描激光雷达系统，在共用光路结构、光学收发模块、滤光模块和探测采集模块的前提下，光源模块可在工控机的控制下进行往复扫频运动，工控机可获取不同位置的转动拉曼信号的廓线信息，通过拟合廓线的形状反演大气温度信息，这样信号接收及转换均使用了相同器件，能够保证整体测量的准确性，且由于大气特性的相对稳定性，采用一段时间内扫频测量的方式，也不影响实际廓线反演的准确性，进而确保可获取准确的温度反演结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的扫描激光雷达系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的扫描激光雷达系统的具体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的转动拉曼信号的示意图；

图4至图7分别为本发明实施例提供的在激光器波长在

至

之间变化的过程中时通过滤波片的不同回波信号的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统，如图1所示，包括：

光源模块1，用于发射脉冲激光，以使脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；

光学收发模块2，用于接收并聚焦后向散射信号；

滤光模块3，用于对后向散射信号进行滤光处理；

探测采集模块4，用于对处理后的光信号进行信号转换，得到数字信号；

工控机5，与光源模块1和探测采集模块4连接，用于控制光源模块1进行往复扫频运动，根据探测采集模块4得到的数字信号获取不同位置的转动拉曼信号的廓线信息，并拟合廓线的形状反演大气温度信息。

可以理解的是，工控机5在系统工作中，协调控制各部分之间的工作状态，同光源模块1及探测采集模块4之间进行实时对应，将后向散射回波信号与激光发射波长之间做出匹配对应。在实际应用中，光学收发模块2、滤光模块3和探测采集模块4在测量中保持不变，主要通过工控机5控制光源模块1进行往复扫频运动，改变激光发射波长的形式来获取完整的转动拉曼廓线信息。

具体地，光源模块1为高脉冲能量的脉冲激光器。激光脉冲发射时，将同步输出一个TTL脉冲信号作为同步触发脉冲，脉冲信号的上升沿与激光脉冲出射在时间上是对应的。将激光器的同步触发脉冲信号连接至探测采集模块4触发输入接口，当探测采集模块4检测到TTL信号上升沿时，开始进行高速的模数采集与信号存储，这样就能保证信号采集的第一个信号与激光脉冲发射在时间上同步，并将探测采集模块4得到的数字信号与采集信号之间的不同距离相对应，获取不同距离处的大气信息。

采集信号进行较短时间的脉冲累积后，获取一组大气回波测量数据，实时传输至工控机5中。工控机5也实时同光源模块1进行通讯并协调控制，实时获取激光脉冲的波长信息。因此工控机5就可以将回波信息与发射波长信息相互匹配。在激光波长在设定范围内逐渐变化的过程中，将获取到对应不同波长的大气回波信号。

接下来，将对应相同距离的大气回波信号提取出来，信号对应发射波长作为X轴数值，信号强度作为Y轴数值。在波长逐渐变化（例如：由波长

变化至波长

加上转动拉曼波长变化的最大值

，即由

逐渐变化至

）的过程中，将获取到的一组廓线结果，扣除波长

位置处的本振回波信号后，剩余的平滑廓线部分即对应了大气分子纯转动拉曼信号，廓线形状与大气温度相关，根据实测廓线形状，匹配理论计算下的廓线形状，并对应实际的大气温度数据完成系统参数修正，就可以完成大气真实温度的激光雷达拉曼测温。相同距离的信号进行相同的处理，即可以获取特定距离分辨率的完整大气温度廓线。

在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，在共用光路结构、光学收发模块、滤光模块和探测采集模块的前提下，光源模块可在工控机的控制下进行往复扫频运动，工控机可获取不同位置的转动拉曼信号的廓线信息，通过拟合廓线的形状反演大气温度信息，这样信号接收及转换均使用了相同器件，即所有的信号由固定的光路、相同的光学收发模块、滤光模块和探测采集模块获取，能够保证整体测量的准确性，且由于大气特性的相对稳定性，采用一段时间内扫频测量的方式，也不影响实际廓线反演的准确性，进而确保可获取准确的温度反演结果。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，如图2所示，还可以包括：

小孔光阑6，位于光学收发模块的焦点处，用于限制后向散射信号的背景光强度。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，如图2所示，滤光模块3可以包括：

准直透镜31，用于将后向散射信号变为平行光；

滤光片32，用于将平行光进行滤光处理；该滤光片32可抑制背景干扰光，也可以设计通带范围内的光能够通过；

聚焦透镜33，用于将滤光处理后的平行光进行聚焦。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，如图2所示，小孔光阑6、准直透镜31、滤光片32和聚焦透镜33的中心均处于同一竖直光轴上。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，如图2所示，探测采集模块4可以包括：

光电探测器41，用于接收并转换聚焦透镜33聚焦后的光信号，得到电信号；

数据采集板42，用于将电信号转为数字信号，并传输至工控机5。

具体地，当数据采集板42检测到TTL信号上升沿时，开始进行高速的模数采集与信号存储，这样确保了信号采集的第一个信号与激光脉冲发射在时间上同步。在根据数据采集板42的采样频率与光速，获取到采集信号之间的距离间隔，以此将数据采集板42获取到的数字信号同不同距离相对应，来获取不同距离处的大气信息。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，光源模块1可以包括可调谐激光器，即本发明可以采用可调谐激光器作为激光雷达发射源，该可调谐激光器可进行往复扫频运动。另外，光学收发模块2可以包括望远镜21；小孔光阑6可位于望远镜21焦点处。

需要说明的是，光学收发模块2一般指代激光脉冲的发射与对应大气回波的接收。光学收发模块2的核心是望远镜系统，常规使用卡塞格林结构的大口径望远镜，既能压缩系统尺寸，又可以提供较大的接收面积，尽量接收更多的回波能量。一般激光雷达中仅需要主镜结构，使用望远镜将回波聚焦为一个点。在焦点处安装小孔光阑，既不会影响远场信号的接收，也能够有效的压制天空背景光，提高测量数据的信噪比。

为了避免遮挡，发射光轴与接收光轴彼此错开一定距离，因此在光路上存在接收盲区，近场区间内回波无法通过小孔进入探测器。因此光学收发模块2还要为光源模块1提供必要的固定，使发射光轴与接收光轴尽量靠近，降低系统盲区，提高系统性能。

因此，在扫描激光雷达系统中，光学收发模块2的位置与光源模块1尽量靠近；其主体结构为望远镜系统，配合焦点位置安装的小孔光阑组成有效的光学模块。光阑后方跟随固定滤光模块3。

下面以一个具体实例对本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统的操作方式进行说明，具体过程如下：

可调谐激光器发射脉冲激光，光束传输至大气后产生后向散射信号，由望远镜21接收并聚焦，经过位于望远镜21焦点处的小孔光阑6限制背景光强度，通过准直透镜31将回波光束变为平行光，然后由滤波片32进行滤光处理，再由聚焦透镜33将回波聚焦后照射至光电探测器41的光敏面上。通过数据采集板42将光电信号转为数字信号，传输至工控机5处进行数据处理。工控机5可控制可调谐激光器进行小范围的往复扫频运动，以此获取不同位置的廓线信息。

需要说明的是，如图3所示，当可调谐激光器发射波长为

的激光光束，在大气传输的过程中产生后向散射信号，其中波长不变的后向散射信号为弹性散射信号，信号强度较高；波长发生变化的为拉曼信号，转动拉曼信号在波长为横轴的表示下对称的分布在弹性散射信号两侧，

为转动拉曼波长变化的最大值，数值较小。转动拉曼信号在不同的波长变化幅度处其信号强度也有不同，形成对应波长的强度廓线。廓线的形状同大气温度呈现固定的关系，大气温度变化其廓线形状也发生变化。如图3所示，温度越高，波长变化较大的转动拉曼信号越强，波长变化较小的转动拉曼信号越弱；温度越低，波长变化较大的转动拉曼信号越弱，波长变化较小的转动拉曼信号越强。

距离发射波长较近的转动拉曼信号范围为拉曼低量子通道，随温度升高而变弱；距离发射波长较远的转动拉曼信号范围为拉曼高量子通道，随温度升高而变强。而考虑实际的大气回波情况，波长变大的转动拉曼波段容易掺杂荧光信号，因此一般的测温反演选用激光波长左侧波段的转动拉曼信号作为探测波段。本发明的激光器发射波长范围与滤波片32的中心波长有对应的关系，与实际的拉曼光谱范围相匹配。在具体实施时，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，滤光片32可以为中心波长为

的高性能窄带滤波片；而可调谐激光器的波长可以在

至

范围内进行调谐，以控制激光器改变其出射波长。由于

较小，发射波长在

之间发生变化时，相同大气产生的转动拉曼信号仅发生波长的平移，而廓线形状及强度不发生变化。

因此，在控制激光器波长在

至

之间变化时，如图4至图7所示，虚线框内所代表的通过滤波片的回波信号会发生变化。

需要注意的是，如图4至图7所示，在激光器波长在

至

之间变化的过程中，通过滤波片32的信号所转换的数字信号为完整的拉曼廓线信息。根据拟合出的廓线形状即可获取对应的大气温度信息。

同时，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，工控机5，还可以用于兼顾对弹性散射信号进行探测，同时获取大气气溶胶信息。也就是说，本发明还可以兼顾测量弹性散射信号，进行大气气溶胶测量。考虑到大气温度的相对稳定性，一定扫频时间内的拉曼廓线形状保持稳定，扫描时间段内拟合出的完整拉曼廓线信息能够准确的代表大气实际的温度信息。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述扫描激光雷达系统中，工控机5，还可以用于选定光源模块发射的激光波长中的两个波长，以使通过滤光模块的转动拉曼信号对应拉曼高量子通道信号及拉曼底量子通道信号，并根据这两个固定的通道信号比值计算的方式来反演大气温度信息。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

综上，本发明实施例提供的一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统，包括：光源模块，用于发射脉冲激光，以使脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；光学收发模块，用于接收并聚焦后向散射信号；滤光模块，用于对后向散射信号进行滤光处理；探测采集模块，用于对处理后的光信号进行信号转换，得到数字信号；工控机，与光源模块和探测采集模块连接，用于控制光源模块进行往复扫频运动，根据探测采集模块得到的数字信号获取不同位置的转动拉曼信号的廓线信息，并拟合廓线的形状反演大气温度信息。上述扫描激光雷达系统中，在共用光路结构、光学收发模块、滤光模块和探测采集模块的前提下，光源模块可在工控机的控制下进行往复扫频运动，工控机可获取不同位置的转动拉曼信号的廓线信息，通过拟合廓线的形状反演大气温度信息，这样信号接收及转换均使用了相同器件，能够保证整体测量的准确性，且由于大气特性的相对稳定性，采用一段时间内扫频测量的方式，也不影响实际廓线反演的准确性，进而确保可获取准确的温度反演结果。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的基于拉曼测温的扫描激光雷达系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于拉曼测温的扫描激光雷达系统，其特征在于，包括：

光源模块，用于发射脉冲激光，以使所述脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；

光学收发模块，用于接收并聚焦所述后向散射信号；

滤光模块，用于对所述后向散射信号进行滤光处理；

探测采集模块，用于对处理后的光信号进行信号转换，得到数字信号；

工控机，与所述光源模块和所述探测采集模块连接，用于控制所述光源模块进行往复扫频运动，根据所述探测采集模块得到的数字信号获取不同位置的转动拉曼信号的廓线信息，并拟合廓线的形状反演大气温度信息。

2.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，还包括：

小孔光阑，位于所述光学收发模块的焦点处，用于限制所述后向散射信号的背景光强度。

3.根据权利要求2所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述滤光模块包括：

准直透镜，用于将所述后向散射信号变为平行光；

滤光片，用于将所述平行光进行滤光处理；

聚焦透镜，用于将滤光处理后的所述平行光进行聚焦。

4.根据权利要求3所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述小孔光阑、所述准直透镜、所述滤光片和所述聚焦透镜的中心均处于同一竖直光轴上。

5.根据权利要求4所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述探测采集模块包括：

光电探测器，用于接收并转换所述聚焦透镜聚焦后的光信号，得到电信号；

数据采集板，用于将所述电信号转为数字信号，并传输至所述工控机。

6.根据权利要求5所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述光源模块包括可调谐激光器。

7.根据权利要求6所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述滤光片为中心波长为

的窄带滤波片；所述可调谐激光器的波长在

至

范围内进行调谐；其中

为转动拉曼波长信号变化的最大值。

8.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述光学收发模块包括望远镜。

9.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述工控机，还用于对弹性散射信号进行探测，同时获取大气气溶胶信息。

10.根据权利要求1所述的扫描激光雷达系统，其特征在于，所述工控机，还用于选定所述光源模块发射的激光波长中的两个波长，以使通过所述滤光模块的转动拉曼信号对应拉曼高量子通道信号及拉曼底量子通道信号，并根据所述拉曼高量子通道信号与所述拉曼底量子通道信号的比值反演大气温度信息。

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