CN202025083U - 激光云高实时遥感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种激光云高实时遥感装置，二极管泵浦Nd:YAG倍频脉冲激光器发出的脉冲光束经扩束后垂直向天空发射，激光束被大气中气溶胶和云所散射，来自云的后向散射回波光子(远大于气溶胶的回波强度)由光学望远镜和光子探测器接收产生光电脉冲信号。通过测定光束发射到返回的时间，计算出云的高度。其结果存储在相应的数据存储区，并实时给出云高的数值。本实用新型针对云的全天候观测要求而设计，实现了小型化，自动化，可以在恶劣的环境下无人值守连续地工作，在气象、航空、大气研究等领域有广泛的应用。
Description
[技术领域]
本实用新型涉及激光遥感与电子学领域，尤其涉及一种激光云高实时遥感装置。
[背景技术]
激光云高实时遥感装置是基于米散射激光雷达的工作原理进行云的遥感。由激光器向天空发射脉冲激光，这个脉冲光被大气气溶胶和云散射。被云散射的回波强度远大于气溶胶的散射回波，因此很容易被识别。通过测定光束从发射到返回的时间t，由c/2t实时计算出云的高度(c为光速)，其结果存储在多道计数单元的数据存储区。如果为薄层云，部分脉冲激光可穿过云层，则可测到云厚或多层云结构。
目前市场上的云高计基于激光测距原理，均采用半导体激光管作为光源，脉冲供电产生脉冲光，波段在近红外范围。发射和接收采用两个独立的光学系统。测量范围在8公里以下，尤其在白天的最大探测距离只能达到1公里左右。
[发明内容]
本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、探测范围大、全天候自动记录云高的激光云高实时遥感装置。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种激光云高实时遥感装置，包括激光扩束发射光学系统、云散射光接收光学系统、激光二极管泵浦全固体脉冲激光器、探测器、多道计数单元和自动控制仪；激光二极管泵浦全固体脉冲激光器前端装有激光扩束发射光学系统，自动控制仪通过控制线分别与脉冲激光器和多道计数单元连接，用于控制脉冲激光器与多道计数单元的逻辑运行；激光二极管泵浦全固体脉冲激光器的同步输出端与多道计数单元连接；云散射光接收光学系统的输出端连接到探测器；探测器与多道计数单元连接。
作为优选，激光扩束发射光学系统包括扩束器和透镜组，透镜组置于扩束器前端，扩束器置于激光二极管泵浦全固体脉冲激光器的激光发射端。
作为优选，云散射光接收光学系统包括接收望远镜、第一反射镜、第二反射镜、准直透镜和滤光片。
作为优选，第一反射镜处于透镜组光轴位置，反射镜中心有通孔，反射镜的反射面镀有反光膜。
作为优选，自动控制仪包括云高实时遥感装置的工作逻辑控制模块和温度控制模块；其中温度控制模块包括半导体致冷组件。
作为优选，透镜组既是激光扩束发射光学系统的物镜也是接收望远镜的主镜，其构成了激光发射光路与接收光路的同轴结构；所述透镜组镀有532nm波长的增透膜。
作为优选，激光二极管泵浦全固体脉冲激光器的输出波长为532nm。
本实用新型的有益效果是，依据米散射激光雷达探测原理，通过测定光束从发射到返回的时间t，由c/2t实时计算出云的高度(c为光速)，其结果存储在多道计数单元的数据存储区。如果为薄层云，部分脉冲激光可穿过云层，则可测到云厚或多层云结构。云层识别范围大，其探测范围为0-18km；其发射光学系统与接收光学系统采用同轴结构，结构紧凑，便于携带和安装，全天候自动化运转，抗恶劣环境能力强。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型激光云高实时遥感装置实施例的结构示意图。
图2本实用新型激光云高实时遥感装置实施例的外形图。
图1中，1-透镜组，2-第二反射镜，3-小孔光栏，4-准直透镜，5-窄带滤光片，6-聚焦透镜，7-探测器，8-多道计数单元，9-自动控制仪，10-脉冲激光器，11-扩束器，12-第一反射镜，13-发射的光束，14-回波信号。
[具体实施方式]
图1是一种激光云高实时遥感装置，包括激光扩束发射光学系统、云散射光接收光学系统、波长为532nm的二极管激光泵浦Nd:YAG倍频脉冲激光器(以下简称为脉冲激光器10)、探测器7、多道计数单元8和自动控制仪9；在脉冲激光器10前端装有激光扩束发射光学系统，自动控制仪9通过控制线分别与脉冲激光器10和多道计数单元8连接，用于控制脉冲激光器10与多道计数单元8的逻辑运行；脉冲激光器10的同步输出端与多道计数单元8连接；云散射光接收光学系统的输出端连接到探测器7；探测器7与多道计数单元8连接。
激光扩束发射光学系统包括扩束器和透镜组，透镜组1置于扩束器11的前端，扩束器11置于脉冲激光器10的激光发射端。
云散射光接收光学系统包括接收望远镜、第一反射镜12、第二反射镜2、准直透镜4和窄带滤光片5。其中，第一反射镜12处于透镜组1的光轴位置，第一反射镜12的中心有通孔，反射面镀有反光膜。第二反射镜2的反射面也镀有反光膜。
上述透镜组1既是激光扩束发射光学系统的物镜也是接收望远镜的主镜，其构成了激光发射光路与接收光路的同轴结构；透镜组1镀有532nm波长的增透膜。
自动控制仪9包括云高实时遥感装置的工作逻辑控制模块和温度控制模块；其中温度控制模块包括半导体致冷组件，通过半导体致冷组件实现制冷或加温，控制和维持系统内部的温度环境，使云高装置不受高低温环境的影响而正常运转。
工作原理：
首先由自动控制仪9给出系列的控制电脉冲，依次开启脉冲激光器10的电源、多道计数单元8的电源和探测器7的供电电源，同时自动控制仪启动温度控制模块，根据各部分的工作需要，控制各部分的预热时间，这些控制属于系统初始化。然后，由自动控制仪9同时发出两个同步电脉冲，一个触发脉冲激光器10，发出的532nm的一个光脉冲。激光经扩束器11后，通过透镜组1发射到天空中去。另一个电脉冲触发多道计数单元8，令计数通道从第一个计数通道开始工作，记录和累加来自探测器7所接收到的回波光电脉冲信号。
当天空有云存在时，发射的脉冲激光被云所散射，来自云的后向散射回波信号(远大于气溶胶的回波强度)由透镜组1接收，经过第一反射镜12和第二反射镜2，穿过透镜组焦点处的小孔光栏3，并通过准直透镜4、窄带滤光片5和聚焦透镜6传递到探测器7产生光电脉冲信号。按照回波脉冲到来的时序在多道计数单元8做对位记数和累加处理，其结果存储到相应的数据存储单元。每个计数通道设定了开通的时间间隔(如200ns)，其它通道按次序依次转换开启和关闭，这样一来，不同通道的计数代表来自不同时刻返回的光信号，也就严格给出不同的探测高度。下一个激光脉冲发出时，上述过程重复进行。因此可以实时获得云底高度、薄云顶高度以及云厚数据。
为了将发射激光与回波信号分离，将第一反射镜12放置在光路中并与光路成一定的角度，其中心开有一个通孔。对于发射激光而言，发散的激光束穿过中心带通孔的第一反射镜12并通过透镜组1使成为近似准直的光束射出，该透镜组镀有532nm波长的增透膜，使得透过率达99％，最大程度减少发射光的损失。透镜组1的表面的反射光将穿过反射镜12的中心通孔而不会反射到接收光路通道；对于所接收到的大气后向散射的回波光信号而言，首先通过透镜组1抵达反射镜12，回波光信号经第一反射镜12、第二反射镜2和小孔光栏3进入回波信号的接收通路中。第一反射镜12和第二反射镜2的反射面上镀有反射膜，其对于波长532nm的光反射率达99.9％，最大程度地减少回波损失。上述结构使得光的发射和接收完全隔离，效率达到最佳效果。
在脉冲激光器10和探测器7的工作区安装有温度传感器，自动控制仪9采集这些数据并按照预先设定的温度范围实施加温和降温的控制。采用半导体致冷组件为恒温源进行自动加热和制冷，满足脉冲激光器10和探测器7对工作环境温度的要求。
本实施例探测器7所用的光子探测模块为CPM(通道光电子倍增器)，具有单光子接收、光电脉冲转换和脉冲整形的功能。
本实施例所用的高速多道计数卡是基于DSP芯片自行研制的，其通道最小时间间隔达到80ns，通道数达到3000道。在计数与累加完成之时，数据自行存储在卡上。
自动控制仪的自动控制功能是通过单板机完成的，实现系统启动的初始化过程、激光发射与多道卡的同步控制、系统内部环境的温度控制、窗口消雾和数据联网传输。
本实施例所用的窄带滤光片5为带宽为0.5nm的滤光片，是提高白天观测的信噪比的主要元件，其次，在回波传输通路上增加消杂散光筒。
如图2所示，本实施例所有部件装在一矩形外壳内，外壳的顶面开有用于发射激光和接收光信号的窗口，窗口朝上。使用时，将本实施例置于户外平稳和坚实的平面上，要求顶面无遮挡。
本实施例的技术性能指标：
| 激光波长： | 532nm(LD泵浦Nd:YAG/KTP) |
| 能量： | ≥10μJ/脉冲(在2500Hz) |
| 重复率： | 2-2.5kHz |
| 激光脉宽： | 15ns |
| 接收望远镜： | 口径φ100mm(组合镜) |
| 滤光片带宽： | 0.5nm |
| 探测器： | CPM |
| 数据采集器： | 高速多道计数卡 |
| 探测范围： | 0～18Km |
| 使用条件： | 全天候运行 |
Claims (8)
1.一种激光云高实时遥感装置，其特征在于，包括激光扩束发射光学系统、云散射光接收光学系统、激光二极管泵浦全固体脉冲激光器、探测器、多道计数单元和自动控制仪；所述的激光二极管泵浦全固体脉冲激光器前端装有激光扩束发射光学系统，所述的自动控制仪通过控制线分别与脉冲激光器和多道计数单元连接；所述激光二极管泵浦全固体脉冲激光器的同步输出端与多道计数单元连接；所述云散射光接收光学系统的输出端连接到探测器；探测器与多道计数单元连接。
2.根据权利要求1所述的激光云高实时遥感装置，其特征在于，所述的激光扩束发射光学系统包括扩束器和透镜组，所述的透镜组置于扩束器前端，扩束器置于激光二极管泵浦全固体脉冲激光器的激光发射端。
3.根据权利要求1所述的激光云高实时遥感装置，其特征在于，所述的云散射光接收光学系统包括接收望远镜、第一反射镜、第二反射镜、准直透镜和滤光片。
4.根据权利要求3所述的激光云高实时遥感装置，其特征在于，所述的第一反射镜处于透镜组光轴位置，反射镜中心有通孔，反射镜的反射面镀有反光膜。
5.根据权利要求1所述的激光云高实时遥感装置，其特征在于，所述自动控制仪包括云高实时遥感装置的工作逻辑控制模块和温度控制模块；其中温度控制模块包括半导体致冷组件。
6.根据权利要求1-5任何一项所述的激光云高实时遥感装置，其特征在于，所述的透镜组既是激光扩束发射光学系统的物镜也是接收望远镜的主镜，其构成了激光发射光路与接收光路的同轴结构；所述透镜组镀有532nm波长的增透膜。
7.根据权利要求1-5任何一项所述的激光云高实时遥感装置，其特征在于，所述的激光二极管泵浦全固体脉冲激光器的输出波长为532nm。
8.根据权利要求6所述的激光云高实时遥感装置，其特征在于，所述的激光二极管泵浦全固体脉冲激光器的输出波长为532nm。
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2010
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