CN205826466U - 一种基于人眼安全的大气颗粒物分布探测的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于激光技术应用领域，涉及一种基于人眼安全的大气颗粒物分布探测的装置。二极管激光器发出的激光光束经过带同滤光片后，再由激光发射装置准直后发射到大气中，发射到大气中的激光光束的后向散射信号经由激光接收装置收集，经过带通滤光片滤除背景光后成像到一个倾斜放置的图像传感器上；在满足沙氏成像原理的条件下，图像传感器对发射到大气中的激光光束进行清晰成像，不同的像素对应着不同距离上激光光束成像，实现了对大气的后向散射信号强度的距离分辨探测。在不需要大功率纳秒量级脉冲光源的条件下，使得激光雷达系统可实现距离分辨探测。该装置可使用商业化大功率二极管激光器，极大地简化了系统结构，降低了系统成本，提高了系统的稳定性。
Description
技术领域
本实用新型属于激光技术应用领域，具体涉及一种基于人眼安全的大气颗粒物分布探测的装置。
背景技术
激光雷达(Light Detection and Ranging，Lidar)技术是一种主动式光学遥感探测技术，其在高度/空间分辨率、探测灵敏度、抗干扰能力、以及实时监测等方面具有独特的优势。自激光器问世以来，欧美国家就开始将激光雷达技术应用于大气环境监测中。大气激光雷达技术的基本原理是向大气中发射光信号，利用大口径望远镜收集大气的后向散射信号并由高灵敏度的光电探测器(如光电倍增管等)进行探测，通过分析不同距离上的大气后向散射信号强度，并解析大气激光雷达方程，可分析出大气的后向散射系数、大气光学厚度、边界层高度以及大气颗粒物(气溶胶)的时空演变过程等信息。当前，大气激光雷达技术主要分为两种：一种是基于脉冲光的原理，通过探测发射到大气中的纳秒量级光脉冲返回探测器的时间和强度来实现距离分辨探测；第二种是基于Scheimpflug原理(沙氏成像原理)，通过倾斜放置的图像传感器在满足沙氏成像原理的条件下对发射到大气中的激光光束清晰成像从而实现了大气后向散射信号的距离分辨探测，这种方法基于角度分辨因而不需要使用纳秒量级的脉冲光源，极大地简化了系统结构、降低了系统成本。然而，大气激光雷达技术作为一种先进的光学遥感技术，要得到广泛应用，还必须实现对大气的无人值守连续监测。为了实现这一目标，最重要的一个性能指标就是激光雷达系统发出的激光光束必须对人眼安全，也即必须满足国际激光安全防护标准。因此，研究并开发基于人眼安全的大气激光雷达技术正是当前该领域的国际研究热点。
在先技术[1](J.D.Spinhirne,“Micro pulse lidar,”IEEETrans.Geosci.Remote Sens.31,48-55,1993)中，利用高重复频率、低峰值功率的纳秒量级532nmNd:YAG激光器作为光源，并结合单光子计数技术完成对大气激光雷达信号的长距离探测，实现了基于人眼安全的大气激光雷达技术。尽管该技术近年来已有商业化产品面世，但是该技术的光学探测方式较为复杂，测量时间长，而且成本高昂，因此限制了其广泛应用。
在先技术[2](Scott M.Spulerand Shane D.Mayor,“Scanning eye-safeelastic backscatter lidar at 1.54μm,”Journal of Atmospheric and OceanicTechnology22,696-703,June 2005)中，采用Nd:YAG激光器泵浦CH4气体池的方式产生1.5μm的近红外脉冲光作为光源，并利用InGaAs探测器作为光电探测器，以时间分辨的方式实现了大气颗粒物的分布探测。尽管1.5μm激光器的输出功率大，但是根据国际激光安全防护标准，1.5μm的人眼损伤阈值远高于可见光波段，因此该系统实现了基于人眼安全的工作模式。然而，该技术的光源产生过于复杂，因此难以实际应用。
在先技术[3](Liang Mei and MikkelBrydegaard,“Atmospheric aerosolmonitoring by an elastic Scheimpflug lidar system,”Optics Express23(24)24781,November 2015)中，采用808nm二极管激光器作为光源，CMOS传感器作为图像传感器，实现了基于沙氏成像原理的大气激光雷达技术。但是该系统基于808nm二极管激光器，对激光输出功率要求高，所需要使用的激光功率(3W)经准直并发射到大气中之后超出了国际激光安全防护标准，因此这套大气激光雷达系统对人眼是非安全的。
实用新型内容
本实用新型提供一种基于人眼安全的大气颗粒物分布探测的装置，有效克服背景技术中大气颗粒物分布探测技术所面临的结构复杂、成本高昂，激光雷达系统对人眼非安全等瓶颈问题。
本实用新型的技术方案：
一种基于人眼安全的大气颗粒物分布探测的装置，包括二极管激光器、带通滤光片1，激光发射装置、激光接收装置、带通滤光片2和图像传感器。二极管激光器发出的激光光束通过带同滤光片1后，由激光发射装置准直发射到大气中，发射到大气中的激光光束的后向散射信号经由激光接收装置收集，经过带通滤光片滤除背景光后成像到一个倾斜放置的图像传感器上(如CCD或CMOS传感器等)。在满足沙氏成像原理的条件下，图像传感器对发射到大气中的激光光束进行清晰成像，不同的像素对应着不同距离上激光光束成像，实现了对大气的后向散射信号强度的距离分辨探测。分析后向散射强度，即可应用于大气颗粒物分布的测量和分析。
所述的图像传感器，激光接收装置以及激光发射装置需要满足如下关系：图像传感器所在平面，激光接收装置的透镜(或者抛物面反射镜等)所在平面，以及激光发射装置所在光轴位置(也即发射光束所在光路)三者相交，从而满足Scheimpflug成像原理。
所述的二极管激光器经温度及电流控制之后，其中心工作波长小于400nm。
所述的激光发射装置由透镜或透镜组构成。激光发射装置的通光口径及其焦比根据二极管激光器的输出功率大小在一定范围内选择。其选择范围为：通光口径75-150mm，焦比不低于F3，选择的目标是激光发射装置发射的激光光束平均能量低于1000W/m2，也即低于400nm以下波段的人眼损伤阈值国际标准。
所述的带通滤光片1的透射谱需要确保发射到大气中的激光光束在400nm波长及以上的能量密度小于在400nm及以上波段的人眼损伤阈值国际标准。所述的带通滤光片2的透射波长与二极管激光器的工作波长相匹配，也即可允许与二极管激光器发射激光光束波长相同的光信号透过。
所述的激光接收装置由透镜或透镜组构成，或者由反射式成像系统构成。
所述的图像传感器可为面阵图像传感器或线阵图像传感器。
本实用新型的有益效果是：基于人眼安全的大气颗粒物分布探测的装置采用中心工作波长小于400nm的二极管激光器作为光源，激光光束经过激光发射装置准直后低于人眼损伤阈值国际标准，因而发射激光光束对人眼安全，从而可实现基于人眼安全的大气激光雷达系统。在不需要大功率纳秒量级脉冲光源的条件下，使得激光雷达系统可实现距离分辨探测。采用这种技术方案，可使用商业化大功率二极管激光器等，极大地简化了系统结构，降低了系统成本，提高了系统的稳定性。
附图说明
图1是激光发射装置、激光接收装置和图像传感器三者之间需满足的几何关系平面图，也即沙氏成像原理示意图。
图2是基于人眼安全的大气颗粒物分布探测的装置图。
图中：1二极管激光器；2带通滤光片1；3激光发射装置；4激光接收装置；5带通滤光片2；6图像传感器。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例
A、控制二极管激光器的温度以及驱动电流，使得其中心工作波长小于400nm，并且发射激光光束波长与带通滤光片2的透射谱重合，激光器发出的激光光束首先经过带通滤光片1，然后由激光发射装置准直后发射到大气之中。
B、控制激光器驱动电流高于工作阈值，发射激光光束，激光光束持续时间记为T1，发射到大气中的激光光束经由大气中的颗粒物后向散射之后，被激光接收装置收集，经带通滤光片2滤除大气背景信号后，再由图像传感器实现光电探测，所记录的信号强度(如果为面阵图像传感器，需要将与激光光束成像垂直方向的像素强度进行累加)为大气后向散射信号强度P1。
C、将激光器驱动电流设置为0或低于工作阈值从而关闭激光器；激光接收装置收集大气背景信号，图像传感器以与步骤B中相同的时间T1进行光电探测，采集大气背景信号，所记录的信号强度(如果为面阵图像传感器，需要将与激光光束成像垂直方向的像素强度进行累加)为P2。
D、计算P1-P2得到发射激光光束的大气后向散射信号强度P。
E、重复步骤(B-D)N次(N可为任意自然数)，求取N次P信号的平均值分别记为Pavg。长时间测量后，可记录Pavg随时间的变化过程。
F、系统校准：将系统对距离已知的固定物体进行测量，并纪录由固定物体反射的激光光束在图像传感器的位置。根据几何成像原理，可计算出图像传感器像素与测量距离之间的关系。
G、结合步骤F中得到的图像传感器与测量距离之间的关系，可得到大气激光雷达信号Pavg在不同距离上随时间变化的分布图。通过求解分析大气激光雷达方程，即可分析出大气颗粒物时空分布，光学厚度等参数。
以上内容是结合优选技术方案对本实用新型所做的进一步详细说明，不能认定实用新型的具体实施仅限于这些说明。对本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于人眼安全的大气颗粒物分布探测的装置，其特征在于，该装置包括二极管激光器、带通滤光片1、激光发射装置、激光接收装置、带通滤光片2和图像传感器；二极管激光器发出的激光光束通过带通滤光片1后，由激光发射装置准直发射到大气中，发射到大气中的激光光束的后向散射信号经由激光接收装置收集，经过带通滤光片滤除背景光后成像到一个倾斜放置的图像传感器上；在满足沙氏成像原理的条件下，图像传感器对发射到大气中的激光光束进行清晰成像，不同的像素对应着不同距离上激光光束成像，实现了对大气的后向散射信号强度的距离分辨探测；
所述的图像传感器、激光接收装置和激光发射装置需要满足如下关系：图像传感器所在平面，激光接收装置的透镜所在平面以及激光发射装置所在光轴位置三者相交，满足Scheimpflug成像原理；
所述的二极管激光器经温度及电流控制之后，其中心工作波长小于400nm。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的激光发射装置由透镜或透镜组构成，激光发射装置的通光口径75-150mm，焦比不低于F3，激光发射装置光学参数选择的目标是激光发射装置发射的激光光束平均能量低于400nm以下波段的人眼损伤阈值国际标准。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的带通滤光片1的透射谱需要确保发射到大气中的激光光束在400nm波长及以上的能量密度小于在400nm及以上波段的人眼损伤阈值国际标准；所述的带通滤光片2的透射波长与二极管激光器的工作波长相匹配，即允许与二极管激光器发射激光光束波长相同的光信号透过。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的激光接收装置由透镜或透镜组构成，或由反射式成像系统构成。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的激光接收装置由透镜或透镜组构成，或由反射式成像系统构成。
6.根据权利要求1、2或5所述的装置，其特征在于，所述的图像传感器为面阵图像传感器或线阵图像传感器。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的图像传感器为面阵图像传感器或线阵图像传感器。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的图像传感器为面阵图像传感器或线阵图像传感器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN111579449A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-08-25 | 泛测（北京）环境科技有限公司 | 一种大气颗粒污染物空间扫描预警方法和装置 |
| CN113075684A (zh) * | 2021-04-06 | 2021-07-06 | 浙江师范大学 | 基于tdlas技术的新型沙氏大气激光雷达 |
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