CN114942208A - 一种可实现3d扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，涉及气溶胶检测技术领域，包括激光发射系统、望远镜接收系统、3D扫描伺服系统以及数据处理系统；其中激光发射系统用于向空气中发射高能量脉冲激光束；所述望远镜接收系统用于接收空气中气溶胶粒子散射回来的米散射信号、荧光信号，并将光信号转换成电信号传输给数据处理系统；所述数据处理系统用于接收来自望远镜接收系统的电信号并经过算法演算，控制3D扫描伺服系统实现整体装置的俯仰、方位两个维度运动，扫描探测以3D扫描伺服系统为原点、以激光探测距离为半径的空间区域；从而能够计算鉴别生物气溶胶的种类以及时空分布特征信息，提前发布报警信息。
Description
技术领域
本发明涉及气溶胶检测技术领域，具体是一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置。
背景技术
生物气溶胶包括细菌、病毒以及致敏花粉、霉菌孢子、蕨类孢子和寄生虫卵等具有传染性、致病性等，其对环境污染及公共卫生安全有重要影响。生物气溶胶因自身物理性质，可在大气中漂浮数年之久，与人体接触后，便会人体健康造成较大影响。
现有生物气溶胶的检测技术采用离线采样检测方法基本上分为两种，一种是通过采样装置采样空气样品后，通过免疫学、分子生物学方法进行培养和检测；此方法检测周期长，不能实时在线监测。另一种是通过采样装置采样空气样品后并输送到检测装置，在检测装置内激光光束照射气溶胶粒子完成检测工作；此方法检测周期短、能够实时在线监测，但取样范围小，受风速影响大，不能远程预警、检测，无法提供生物气溶胶时空分布特征。基于以上不足，我们提出一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，安装在重要场所区域的顶部，能够远程实时在线监测空气中的生物气溶胶浓度，鉴别生物气溶胶的种类，提供生物气溶胶时空分布特征信息，提前发布报警信息。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，包括激光发射系统、望远镜接收系统、3D扫描伺服系统以及数据处理系统；
其中激光发射系统用于向空气中发射高能量脉冲激光束；所述望远镜接收系统用于接收空气中气溶胶粒子散射回来的米散射信号、荧光信号，并将光信号转换成电信号传输给数据处理系统；
所述数据处理系统用于接收来自望远镜接收系统的电信号并经过算法演算，控制3D扫描伺服系统进行全空间3D扫描，从而计算鉴别出生物气溶胶的种类、时空分布特征并提供预警信息，通过有线上传到上位机进行可视化显示和存储；
其中，所述3D扫描伺服系统包括方位驱动装置和俯仰驱动装置；所述俯仰驱动装置安装在方位驱动装置上，根据激光发射系统的激光发射频率和数据处理系统的信号采样频率，方位驱动装置和俯仰驱动装置相互配合，实现整体装置的俯仰、方位两个维度运动，实现以3D扫描伺服系统为原点、以激光探测距离为半径的空间区域的扫描探测。
进一步地，所述激光发射系统包括激光器、扩束准直器以及高带宽反射镜；所述激光器用于发射出355nm频率的高功率脉冲激光；所述扩束准直器用于接收激光光束并完成增大光斑尺寸和减小光束发散角；所述高带宽反射镜共有两个，用于改变激光光束路径，实现激光光束与望远镜接收系统同轴。
进一步地，所述望远镜接收系统包括望远镜、可调光阑、分光装置以及光电倍增管；所述望远镜用于接收空气中气溶胶粒子散射回来的光信号并聚焦；所述可调光阑用于调节距离望远镜的轴向距离，从而调节视场角；所述分光装置用于将入射光信号经过准直、分光、滤光、聚光后形成两束不同频率的光信号；所述光电倍增管分别安装于分光装置的两个末端，将光信号转换成电信号。
进一步地，方位驱动装置用于实现装置方位转动，并提供方位转动转速、方位位置信息至数据处理系统；俯仰驱动装置用于实现装置俯仰转动，并提供俯仰转动转速、俯仰位置信息至数据处理系统。
进一步地，所述数据处理系统包括采集卡、工控机和通讯模块；所述采集卡接收来自光电倍增管的光电模拟信号并将光电模拟信号转换成数字信号，另外采集卡还接收来自激光器的激光发射触发信号；所述工控机用于接收采集卡的数字信号进行算法演算，并控制3D扫描伺服系统进行空间3D扫描，从而计算鉴别出生物气溶胶的种类、时空分布特征并提供预警信息，通过有线上传到上位机进行可视化显示和存储；所述通讯模块对工控机的所有数据进行无线传输。
进一步地，所述激光发射系统、望远镜接收系统和数据处理系统统一安装在一个安装板上，激光发射系统与望远镜接收系统同面安装，数据处理系统在安装板的另一面；三者共同组成收发组件并装入一个防护外壳中形成雷达主机，所述雷达主机安装在所述3D扫描伺服系统的俯仰驱动装置上。
进一步地，所述方位驱动装置为圆柱式结构，采用直驱电机作为动力输入；所述俯仰驱动装置为U型结构，U型结构底部与所述方位驱动装置相连接，上伸两支臂并有动力轴作为支撑用来安装雷达主机，也采用直驱电机作为动力输入。
进一步地，所述雷达主机采用快装结构与所述俯仰驱动装置快速安装，雷达主机两侧有相互对称的卡槽，俯仰驱动装置的动力轴上有与卡槽相对应的凸台，两者搭装完毕后使用螺钉进行紧固。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中激光发射系统用于向空气中发射高能量脉冲激光束；所述望远镜接收系统用于接收空气中气溶胶粒子散射回来的米散射信号、荧光信号，并将光信号转换成电信号传输给数据处理系统；所述数据处理系统用于接收来自望远镜接收系统的电信号并经过算法演算，控制3D扫描伺服系统进行全空间3D扫描，其中3D扫描伺服系统的俯仰驱动装置可实现90°-45°俯仰扫描角，方位驱动装置可实现0°-360°方位扫描角，这样便形成以3D扫描伺服系统为原点、以激光探测距离为半径的空间扫描区域；同时3D扫描伺服系统的控制信号来自工控机，并把俯仰和方位两个维度的转速、位置等信息上传到工控机，汇总任一位置的扫描信息，形成全扫描区域内的生物气溶胶时空分布特征信息；可远程实时在线监测空气中的生物气溶胶浓度，鉴别生物气溶胶的种类，提供生物气溶胶时空分布特征信息，提前发布报警信息。
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为本发明一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置的系统框图。
图2为本发明中激光发射系统和望远镜接收系统的连接示意图。
图3为本发明中数据处理系统的结构示意图。
图4为本发明中3D扫描伺服系统和雷达主机的连接示意图。
图中：1、激光发射系统；2、望远镜接收系统；3、3D扫描伺服系统；4、数据处理系统；5、激光器；6、扩束准直器；7、高带宽反射镜；8、望远镜；9、可调光阑；10、分光装置；11、光电倍增管；12、方位驱动装置；13、俯仰驱动装置；14、采集卡；15、工控机；16、通讯模块；17、安装板；18、防护外壳；19、雷达主机；20、直驱电机；21、动力轴；22、卡槽；23、凸台。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图4所示，一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，包括激光发射系统1、望远镜接收系统2、3D扫描伺服系统3、数据处理系统4；
其中激光发射系统1用于向空气中发射高能量脉冲激光束；所述望远镜接收系统2接收空气中气溶胶粒子散射回来的米散射信号、荧光信号，并将光信号转换成电信号传输给数据处理系统4；所述3D扫描伺服系统3用于实现整体装置的俯仰、方位两个维度运动，配合激光发射系统1的激光发射频率和数据处理系统4的信号采样频率，实现以3D扫描伺服系统3为原点、以激光探测距离为半径的空间区域的扫描探测；
所述数据处理系统4用于接收来自望远镜接收系统2的电信号并经过算法演算，控制3D扫描伺服系统3进行全空间3D扫描，从而计算鉴别出生物气溶胶的种类、时空分布特征并提供预警信息，通过有线上传到上位机进行可视化显示和存储；
其中，所述激光发射系统1包括激光器5、扩束准直器6以及高带宽反射镜7；所述激光器5用于发射出355nm频率的高功率脉冲激光；所述扩束准直器6接收激光光束并完成增大光斑尺寸和减小光束发散角；所述高带宽反射镜7共有两个，用于改变激光光束路径，实现激光光束与望远镜接收系统2同轴；
其中所述望远镜接收系统2包括望远镜8、可调光阑9、分光装置10以及光电倍增管11；所述望远镜8用于接收空气中气溶胶粒子散射回来的光信号并聚焦；所述可调光阑9用于调节距离望远镜8的轴向距离，从而调节视场角，消除杂散光提高信噪比；所述分光装置10用于将入射光信号经过准直、分光、滤光、聚光后形成两束不同频率的光信号；所述光电倍增管11分别安装于分光装置10的两个末端，将光信号转换成电信号；
所述3D扫描伺服系统3包括方位驱动装置12和俯仰驱动装置13；所述方位驱动装置12用于实现装置方位转动，并提供方位转动转速、方位位置等信息至数据处理系统4；所述俯仰驱动装置13用于实现装置俯仰转动，并提供俯仰转动转速、俯仰位置等信息至数据处理系统4；所述俯仰驱动装置13安装在方位驱动装置12上，根据激光发射系统1的激光发射频率和数据处理系统4的信号采样频率，方位驱动装置12和俯仰驱动装置13相互配合，本装置便可进行以3D扫描伺服系统3为原点、以激光探测距离为半径的空间区域的扫描探测；其中3D扫描伺服系统3可根据实际工作环境选择正装或者吊装方式；
所述数据处理系统4包括采集卡14、工控机15和通讯模块16；所述采集卡14接收来自光电倍增管11的光电模拟信号并将光电模拟信号转换成数字信号，另外采集卡14还接收来自激光器5的激光发射触发信号；所述工控机15用于接收采集卡14的数字信号进行算法演算，并控制3D扫描伺服系统3进行空间3D扫描，从而计算鉴别出生物气溶胶的种类、时空分布特征并提供预警信息，通过有线上传到上位机进行可视化显示和存储；所述通讯模块16对工控机15的所有数据进行无线传输；
其中，所述激光发射系统1、望远镜接收系统2和数据处理系统4统一安装在一个安装板17上，激光发射系统1与望远镜接收系统2同面安装，数据处理系统4在安装板17的另一面；三者共同组成收发组件并装入一个防护外壳18中形成雷达主机19，所述雷达主机19安装在所述3D扫描伺服系统3的俯仰驱动装置13上；
其中高带宽反射镜7共有两个，其中一个高带宽反射镜7有自动电动调节功能，可以自动调整激光光束反射角；另一个以固定角度同轴安装在望远镜8上，实现射出光束与望远镜接收系统2同轴；
所述方位驱动装置12为圆柱式结构，采用直驱电机20作为动力输入；
所述俯仰驱动装置13为U型结构，U型结构底部与所述方位驱动装置12相连接，上伸两支臂并有动力轴21作为支撑用来安装所述雷达主机19，也采用直驱电机20作为动力输入；
所述雷达主机19采用快装结构与所述俯仰驱动装置13快速安装，雷达主机19两侧有相互对称的卡槽22，俯仰驱动装置13的动力轴21上有与卡槽22相对应的凸台23，两者搭装完毕后使用少量螺钉进行紧固，便可完成整体装配。
本发明的工作原理：
一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，在工作时，将该装置放置于人员聚集的重要场所内，安装在场所的顶部，视场角范围大、无遮挡；激光器5发射的355nm激光光束经过扩束准直器6增大光斑尺寸和减小光束发散角，再经高带宽反射镜7改变激光光束路径，与望远镜8后同轴后发射出去。激光照射到生物气溶胶后发射散射，有一部分光回波信号被望远镜8接收。望远镜8先将光信号聚焦后经过可调光阑9，消除杂散光提高信噪比。分光装置10把光回波信号经准直、分光、滤光、聚光后形成两束不同频率的光信号，最终由两个光电倍增管11把光信号转换成电信号。采集卡14接收光电倍增管11的光电模拟信号并转换成数字信号，工控机15接收采集卡14的数字信号进行算法演算，计算鉴别出生物气溶胶的种类以及激光光束覆盖范围内的生物气溶胶空间分布信息；
其中，3D扫描伺服系统3的俯仰驱动装置13可实现90°-45°俯仰扫描角，方位驱动装置12可实现0°-360°方位扫描角，这样便形成以3D扫描伺服系统3为原点、以激光探测距离为半径的空间扫描区域；3D扫描伺服系统3的控制信号来自工控机15，并把俯仰和方位两个维度的转速、位置等信息上传到工控机15，汇总任一位置的扫描信息，形成全扫描区域内的生物气溶胶时空分布特征信息；工控机15汇总所有数据信息可有线传输到上位机上进行可视化显示和存储；通讯模块16可对工控机15的所有数据进行无线传输；本发明可远程实时在线监测空气中的生物气溶胶浓度，鉴别生物气溶胶的种类，提供生物气溶胶时空分布特征信息，提前发布报警信息。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (5)
1.一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，其特征在于，包括激光发射系统、望远镜接收系统、3D扫描伺服系统以及数据处理系统；
其中激光发射系统用于向空气中发射高能量脉冲激光束；所述望远镜接收系统用于接收空气中气溶胶粒子散射回来的米散射信号、荧光信号，并将光信号转换成电信号传输给数据处理系统；
所述数据处理系统用于接收来自望远镜接收系统的电信号并经过算法演算，控制3D扫描伺服系统进行全空间3D扫描，从而计算鉴别出生物气溶胶的种类、时空分布特征并提供预警信息，通过有线上传到上位机进行可视化显示和存储；
所述数据处理系统包括采集卡、工控机和通讯模块；所述采集卡接收来自光电倍增管的光电模拟信号并将光电模拟信号转换成数字信号，另外采集卡还接收来自激光器的激光发射触发信号；所述工控机用于接收采集卡的数字信号进行算法演算，并控制3D扫描伺服系统进行空间3D扫描，从而计算鉴别出生物气溶胶的种类、时空分布特征并提供预警信息，通过有线上传到上位机进行可视化显示和存储；所述通讯模块对工控机的所有数据进行无线传输；
其中，所述3D扫描伺服系统包括方位驱动装置和俯仰驱动装置；所述俯仰驱动装置安装在方位驱动装置上，根据激光发射系统的激光发射频率和数据处理系统的信号采样频率，方位驱动装置和俯仰驱动装置相互配合，实现整体装置的俯仰、方位两个维度运动，实现以3D扫描伺服系统为原点、以激光探测距离为半径的空间区域的扫描探测；
所述激光发射系统、望远镜接收系统和数据处理系统统一安装在一个安装板上，激光发射系统与望远镜接收系统同面安装，数据处理系统在安装板的另一面；三者共同组成收发组件并装入一个防护外壳中形成雷达主机，所述雷达主机安装在俯仰驱动装置上；
所述雷达主机采用快装结构与俯仰驱动装置快速安装，雷达主机两侧有相互对称的卡槽，俯仰驱动装置的动力轴上有与卡槽相对应的凸台，卡槽和凸台搭装完毕后使用螺钉进行紧固。
2.根据权利要求1所述的一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，其特征在于，所述激光发射系统包括激光器、扩束准直器以及高带宽反射镜；所述激光器用于发射出355nm频率的高功率脉冲激光；所述扩束准直器用于接收激光光束并完成增大光斑尺寸和减小光束发散角；所述高带宽反射镜共有两个，用于改变激光光束路径，实现激光光束与望远镜接收系统同轴。
3.根据权利要求1所述的一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，其特征在于，所述望远镜接收系统包括望远镜、可调光阑、分光装置以及光电倍增管；所述望远镜用于接收空气中气溶胶粒子散射回来的光信号并聚焦；所述可调光阑用于调节距离望远镜的轴向距离，从而调节视场角；所述分光装置用于将入射光信号经过准直、分光、滤光、聚光后形成两束不同频率的光信号；所述光电倍增管分别安装于分光装置的两个末端，将光信号转换成电信号。
4.根据权利要求1所述的一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，其特征在于，方位驱动装置用于实现装置方位转动，并提供方位转动转速、方位位置信息至数据处理系统；俯仰驱动装置用于实现装置俯仰转动，并提供俯仰转动转速、俯仰位置信息至数据处理系统。
5.根据权利要求1所述的一种可实现3D扫描的生物气溶胶激光预警与检测装置，其特征在于，所述方位驱动装置为圆柱式结构，采用直驱电机作为动力输入；所述俯仰驱动装置为U型结构，采用直驱电机作为动力输入；U型结构底部与方位驱动装置相连接，U型结构顶端上伸两支臂并有动力轴作为支撑用来安装雷达主机。
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2022
- 2022-05-20 CN CN202210548770.4A patent/CN114942208A/zh active Pending
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