CN118091706B - 一种基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,该系统包括激光模块、光学收发模块、光电探测模块、采集处理及控制模块及扫描模块;光学收发模块中包含多个望远镜,扫描模块中包含一个扫描器,其中望远镜被配置为跟随扫描器以预设频率旋转,采集处理及控制模块基于望远镜的第一数量确定扫描器所对应的循环扫描范围,并控制扫描器按照循环扫描范围进行扫描,通过扫描器的循环扫描,望远镜扫描视场范围覆盖360度平面内的大气回波信号;通过设置多个望远镜,每一望远镜在与其相对应的循环扫描范围内同时进行扫描,减小了光学收发模块获取测量系统周围360度范围内的大气回波信号的周期,从而提高激光雷达大气能见度的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域的一种多望远镜阵列快速扫描测量激光雷达,尤其涉及一种基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统。
背景技术
大气气溶胶分布及能见度变化是反映大气状态的重要指标。沙尘暴、雾、霾等天气时,大气消光系数较高,能够高精度,高分辨的获取其空间分布及变化信息,对于气象、环保、交通和大气科学研究都有重要作用。激光雷达具有遥感探测能力,可以获取几公里至十几公里范围内的信号,由于激光波长与气溶胶粒子尺度可比拟,相比于波长较长的微波雷达,激光雷达在气溶胶探测方面优势显著,通过扫描测量,激光雷达能够对气溶胶空间分布特征进行识别。
但激光雷达发射的激光束发散角小,与之相匹配,望远镜接收视场角也小。因此,单径向测量时获取的视场范围近似于一个圆柱体。同时,受探测原理限制,激光雷达探测需要足够的积分时间来保障信噪比,这就导致扫描测量时,每一周期的扫描时间较长。当气溶胶及雾有快速运动变化时,激光雷达无法及时捕捉变化特征,前后两个周期扫描数据差异较大。如果通过降低积分时间减少扫描时间的方式,会造成雷达信噪比降低,有效探测距离缩短;而通过增加望远镜视场角也会引起背景噪声升高,信噪比降低,最终影响有效探测距离。
发明内容
为了使激光雷达及时捕捉到大气的变化特征,但又不使激光雷达的信噪比降低,本发明提供一种基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统。
本发明采用以下技术方案实现:一种基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,该系统包括:激光模块、光学收发模块、光电探测模块、采集处理及控制模块以及扫描模块;所述激光模块、所述光学收发模块、所述光电探测模块以及所述采集处理及控制模块通过光纤依次连接,所述采集处理及控制模块与所述扫描模块电连接;所述光学收发模块中包含多个望远镜,所述扫描模块中包含一个扫描器;其中所述望远镜被配置为跟随所述扫描器以预设频率旋转;所述采集处理及控制模块基于所述望远镜的第一数量确定所述扫描器所对应的循环扫描范围,并控制所述扫描器按照所述循环扫描范围进行扫描,其中,当所述扫描模块中的扫描器扫描循环扫描范围后,使得多个所述望远镜的扫描视场范围覆盖360度平面内的大气回波信号。
作为上述方案的进一步改进,所述扫描器包括转台以及旋转电机,所述望远镜固定设置在所述转台上,所述旋转电机可以驱动所述转台能够360°旋转或者沿所述循环扫描范围旋转。
作为上述方案的进一步改进,所述望远镜呈等角度间隔阵列式排布。
作为上述方案的进一步改进,所述激光模块包括激光器以及分束器,所述激光器与所述分束器的输入端相连接;所述激光器用于发射探测激光,所述分束器用于将所述探测激光均分成若干分束光,所述分束器的分束数量与所述望远镜的数量一致。
作为上述方案的进一步改进,所述光学收发模块还包括若干个光纤环形器,所述光纤环形器的输入端与所述分束器的第一输出端通过光纤连接,所述光纤环形器的第一输出端与所述望远镜的输入端通过光纤连接;所述光纤环形器的第一输出端还用于接收由所述望远镜接收到的大气回波信号,所述大气回波信号通过所述光纤环形器的第二输出端输出。
作为上述方案的进一步改进,所述光电探测模块中包含若干个探测器,每一所述探测器的输入端与所述光纤环形器的第二输出端通过光纤相连接;其中,所述探测器用于将所述望远镜接收的大气回波信号转换成电信号。
作为上述方案的进一步改进,所述采集处理及控制模块包括多通道采集卡和处理器;所述多通道采集卡的分别与各个所述探测器电连接,所述多通道采集卡还与所述处理器电连接;所述多通道采集卡采集各个所述探测器发送的电信号,并所述电信号转化为光子数信号发送至处理器,所述处理器基于所述光子数信号,反演出探测区域内的能见度值及分布信息。
作为上述方案的进一步改进,所述系统中还包括数据传输模块,所述数据传输模块与所述处理器电连接,其用于将所述探测区域内的能见度值及分布信息发送至目标终端。
本发明的基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统具有以下有益效果:
本申请中激光模块、光学收发模块、光电探测模块以及采集处理及控制模块通过光纤依次连接,采集处理及控制模块与扫描模块电连接;光学收发模块中包含多个望远镜,所述扫描模块中包含一个扫描器,其中望远镜被配置为跟随该扫描器以预设频率旋转,采集处理及控制模块基于望远镜的第一数量确定扫描器所对应的循环扫描范围,并控制扫描器按照循环扫描范围进行扫描,其中,当扫描模块中的扫描器扫描循环扫描范围后,使得多个望远镜的扫描视场范围覆盖360度平面内的大气回波信号;通过在光学收发模块中设置多个望远镜,每一望远镜在与其相对应的循环扫描范围内同时进行扫描,减小了光学收发模块获取测量系统周围360度范围内的大气回波信号的周期,当气溶胶及雾有快速运动变化时,可以及时捕捉大气中气溶胶的变化特征,从而提高激光雷达大气能见度的测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例的基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统的结构框图。
图2为本发明一申请实施例中当望远镜数量为一个时的望远镜阵列图。
图3为本发明一申请实施例中当望远镜数量为两个时的望远镜阵列图。
图4为本发明一申请实施例中当望远镜数量为四个时的望远镜阵列图。
图5为本发明另一申请实施例中基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统的结构框图。
具体实施方式
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用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1,本申请实施例中提出了一种基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统的具体结构,该结构包括激光模块、光学收发模块、光电探测模块、采集处理及控制模块、扫描模块以及数据传输模块;激光模块、光学收发模块、光电探测模块以及采集处理及控制模块通过光纤依次连接,采集处理及控制模块与扫描模块电连接;激光模块,其用于发射探测激光;光学收发模块,其用于发射探测激光至大气中并接收探测激光经大气反射的大气回波信号;光电探测模块,其用于将大气回波信号转换成电信号;采集处理及控制模块,其用于接收电信号并转化为光子数信号,并基于光子数信号反演出探测区域内的能见度值及分布信息;扫描模块,其用于带动光学收发模块旋转,360度围绕激光雷达接收大气回波信号。
其中,激光模块包括激光器以及分束器,激光器与分束器的输入端相连接,分束器的输出端分别与各个扩束镜的输入端通过光纤连接,分束器的分束数量与望远镜的数量一致;
扫描模块中包含一个扫描器;其中多个望远镜被配置为跟随该扫描器以预设频率旋转;扫描器包括转台以及旋转电机,望远镜固定设置在转台上,旋转电机可以驱动转台能够360°旋转或者沿循环扫描范围旋转;
光学收发模块中包含多个望远镜以及与每一望远镜相对应的光纤环形器。
采集处理及控制模块还用于基于望远镜的第一数量确定扫描器所对应的循环扫描范围,并控制扫描器按照循环扫描范围进行扫描,其中,当扫描模块中的扫描器扫描循环扫描范围后,多个望远镜的扫描视场范围覆盖360度平面内的大气回波信号。特别地,当第一数量的望远镜呈等角度间隔阵列式排布时,每个望远镜的循环扫描范围为360度除以第一数量后的角度。
具体地,激光器发射探测激光经过分束器后均分成预设数量的分束光,各分束光经过光纤环形器后发射至大气中,因此各个分束光经大气反射后形成大气回波信号,该大气回波信号被与分束器相对应的望远镜接收,再通过光纤环形器将大气回波信号发送至探测器,采集处理及控制模块获取探测器发送的电信号,并基于电信号转化的光子数信号反演出大气能见度;与此同时,采集处理及控制模块还用于基于望远镜的第一数量确定每一扫描器所对应的循环扫描范围,并控制扫描器按照循环扫描范围进行扫描,扫描器在扫描时会带动多个望远镜一起旋转,以实时探测大气的能见度及分布信息。
在本申请实施例中,通过在光学收发模块中设置多个望远镜,每一望远镜在与其相对应的循环扫描范围内同时进行扫描,减小了光学收发模块获取测量系统周围360度范围内的大气回波信号的周期,当气溶胶及雾有快速运动变化时,可以及时捕捉变化特征,从而提高激光雷达大气能见度的精度。
请参阅图2-图4,光学收发模块中的多个望远镜为等角度间隔阵列式排布。请参阅图2,当光学收发模块中只存在一个望远镜时,则扫描器控制该望远镜循环旋转360度来接收大气回波信号;请参阅图3,当光学收发模块中存在两个望远镜时,采集处理及控制模块根据望远镜的数量确定每个望远镜的循环扫描范围为180度,并控制扫描器在180度的旋转范围内循环旋转;请参阅图4,当光学收发模块中存在四个望远镜时,采集处理及控制模块根据望远镜的数量确定每个望远镜的循环扫描范围为90度,并控制扫描器在90度的旋转范围内循环旋转。
在本申请实施例中,由于光学收发模块中的多个望远镜为等角度间隔阵列式排布,因此可以对每一望远镜的循环旋转范围进行均分,当多个望远镜同时旋转时,可以很大程度上减小了光学收发模块获取测量系统周围360度范围内的大气回波信号的周期,从而提高激光雷达大气能见度的精度。
请参阅图5,在一申请实施例中,以光学收发模块中存在四个等角度间隔阵列式排布的望远镜为例,进一步阐述基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,该系统中的激光模块包括激光器以及分束器;采集处理及控制模块包括多通道采集卡以及嵌入式工控机;光电探测模块包括第一探测器、第二探测器、第三探测器以及第四探测器;光学收发模块包括四个等角度间隔阵列式排布的望远镜以及分别与各个望远镜相对应的光纤环形器;
其中,分束器分别与四个光纤环形器通过光纤相连接,每一所述望远镜配置有相对应光纤环形器,每一光纤环形器的输入端与相对应分束器的第一输出端通过光纤连接,光纤环形器的第一输出端与望远镜的输入端通过光纤连接;光纤环形器的第一输出端还用于接收由望远镜接收到的大气回波信号,大气回波信号通过光纤环形器的第二输出端输出至探测器中进行光电转换。
多通道采集卡分别与各探测器相连接,激光器与多通道采集卡分别与嵌入式工控机电连接。
具体地,嵌入式工控机向激光器发送开启指令,激光器基于开启指令向大气发射探测激光,探测激光经分束器均分成四束分束光,分束光输入四个光纤环形器后,被与光纤环形器相对应的望远镜将其发射到大气中,光纤环形器接收望远镜接收到的大气回波信号后,由探测器将大气回波信号转换成电信号,再由多通道采集卡采集各探测器输出的电信号,获得光子数信号,最后由嵌入式工控机计算并反演出探测区域内的能见度值及分布信息。
根据本发明实施例所提供的基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,能够大幅缩短雷达扫描时间,实现对气溶胶分布变化过程的快速测量,且光纤结构易于拆装维护。可广泛应用于气象、环保、交通及科学研究等领域。
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 (6)
1.一种基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,其特征在于,所述系统包括:激光模块、光学收发模块、光电探测模块、采集处理及控制模块以及扫描模块;所述激光模块、所述光学收发模块、所述光电探测模块以及所述采集处理及控制模块通过光纤依次连接,所述采集处理及控制模块与所述扫描模块电连接;
所述光学收发模块中包含多个望远镜,所述扫描模块中包含一个扫描器;其中所述望远镜被配置为跟随所述扫描器以预设频率旋转;
所述采集处理及控制模块基于所述望远镜的第一数量确定所述扫描器所对应的循环扫描范围,并控制所述扫描器按照所述循环扫描范围进行扫描,
其中,当所述扫描模块中的扫描器扫描循环扫描范围后,多个所述望远镜的扫描视场范围覆盖360度平面内的大气回波信号;
其中,所述望远镜呈等角度间隔阵列式排布;所述扫描器包括转台以及旋转电机,所述望远镜固定设置在所述转台上,所述旋转电机可以驱动所述转台能够360°旋转或者沿所述循环扫描范围旋转。
2.如权利要求1所述的基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,其特征在于,所述激光模块包括激光器以及分束器,所述激光器与所述分束器的输入端相连接;所述激光器用于发射探测激光,所述分束器用于将所述探测激光均分成若干分束光,所述分束器的分束数量与所述望远镜的数量一致。
3.如权利要求2所述的基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,其特征在于,所述光学收发模块还包括若干个光纤环形器,每一所述望远镜配置有相对应光纤环形器,所述光纤环形器的输入端与所述分束器的第一输出端通过光纤连接,所述光纤环形器的第一输出端与所述望远镜的输入端通过光纤连接;
所述光纤环形器的第一输出端还用于接收由所述望远镜接收到的大气回波信号,所述大气回波信号通过所述光纤环形器的第二输出端输出。
4.如权利要求3所述的基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,其特征在于,所述光电探测模块中包含若干个探测器,每一所述探测器的输入端与所述光纤环形器的第二输出端通过光纤相连接;其中,所述探测器用于将所述望远镜接收的大气回波信号转换成电信号。
5.如权利要求4所述的基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,其特征在于,所述采集处理及控制模块包括多通道采集卡和处理器;所述多通道采集卡分别与各个所述探测器电连接,所述多通道采集卡还与所述处理器电连接;
所述多通道采集卡采集各个所述探测器发送的电信号,并将所述电信号转化为光子数信号发送至处理器,所述处理器基于所述光子数信号,反演出探测区域内的能见度值及分布信息。
6.如权利要求5所述的基于激光雷达的多望远镜阵列快速扫描测量系统,其特征在于,所述系统中还包括数据传输模块,所述数据传输模块与所述处理器电连接,其用于将所述探测区域内的能见度值及分布信息发送至目标终端。
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