CN205826867U - 一种大气风速分布探测的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于激光技术应用领域，涉及一种大气风速分布探测的装置。二极管激光器发出的激光光束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，图像传感器可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，从而实现了对大气颗粒物的后向散射信号强度的二维探测。本实用新型极大了简化了系统结构，降低了系统要求。在不需要复杂的大功率纳秒量级脉冲光源以及光电探测器的条件下，仅利用单套大气激光雷达系统就实现了2个维度上的大气风速分布测量。
Description
技术领域
本实用新型属于激光技术应用领域，具体涉及一种大气风速分布探测的装置。
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。以大气激光雷达技术为基础开展大气风速测量是国际上当前研究的热点，对大气风速的分布测量对风力发电运行效率、大气气溶胶及污染物传输过程研究等具有重要意义。
当前，测量大气风速分布的激光雷达技术主要是依赖于脉冲式大气激光雷达技术，按照测量的原理主要分为两种：相关风速测量法和多普勒风速测量法。
在先技术[1](A.R.Mylapore,et.al.,“A three-beam aerosol backscattercorrelation lidar for three-component wind profiling,”Proc.SPIE 9080,90800Y,2014)中，利用10kHz重复频率纳秒量级1030nm Yb:YAG激光器作为光源，搭建三套并行放置的脉冲式弹性散射大气激光雷达系统。由于大气颗粒物的分布在大部分情况下是非均匀的，因此在风速的作用下，大气颗粒物会依次通过不同的激光雷达系统所发射的激光光束，并引起相应激光雷达系统的大气激光雷达信号的变化。通过分析三套激光雷达系统的大气后向散射信号在时间上的相关性，得到相关时间，并根据探测系统的距离间隔，可测量不同距离上多个不同方向的风速。这种相关风速测量法尽管达到了较高的分辨率，并可实现多维度风速测量，但是由于需要采用多套激光雷达系统，因此成本高昂，操作复杂，实际应用受限。
在先技术[2](C.Souprayen,et.al.,“Rayleigh-Mie wind lidar foratmospheric measurements.I.Instrumental setup,validation,and firstclimatological results,”Applied Optics 38,2410-2421,1999)中，采用窄线宽Nd:YAG激光器的二倍频532nm激光输出作为光源，并将其发射到大气中，以时间分辨的方式实现大气后向散射信号的探测。由于大气风速的作用，接收到的大气后向散射信号会发生多普勒平移，而多普勒平移的大小与大气风速正相关。通过在激光雷达系统探测端检测多普勒平移量的大小即可实现不同距离上大气风速的测量。尽管这种多普勒风速测量法有很高的灵敏度，但是它只能测量沿激光光束轴向的风速(一维测量)，因此在实际应用中受到诸多限制。
实用新型内容
本实用新型提供一种大气风速分布探测的装置和方法，有效克服背景技术中大气风速分布探测技术所面临的结构复杂、成本高昂、测量维度受限等瓶颈问题。
本实用新型的技术方案：
一种大气风速分布探测的装置，包括二极管激光器、激光发射装置、激光接收装置、带通滤光片和图像传感器。二极管激光器发出的激光光束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，图像传感器可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，从而实现了对大气颗粒物的后向散射信号强度的二维探测。也就是说，不仅可以测量沿着激光光束上(轴向)的颗粒物散射信号强度分布，而且可以测量垂直于激光光束方向(纵向)上的颗粒物散射信号强度分布。通过分别对激光光束在轴向以及纵向上的信号进行时间相关性分析，并根据像素所对应的距离信息，利用单套激光雷达系统就可以同时得到两个维度的大气风速信息。
所述的图像传感器、激光接收装置和激光发射装置满足如下关系：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)所在平面和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，满足Scheimpflug成像原理(沙氏成像原理)。
所述的激光发射装置由透镜或透镜组构成。
所述的带通滤光片的透射波长与激光器的工作波长相匹配，也即可允许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。
所述的图像传感器必须为面阵图像传感器或双(多)线阵图像传感器。
本实用新型的有益效果：本实用新型大气风速分布探测的装置和方法，采用连续光激光器作为光源，采用图像传感器作为光电探测器，并在满足沙氏成像原理的条件下实现了对发射到大气中的光束进行二维成像。通过对二维成像的信号强度进行时间相关性分析就可以同时获得两个维度的大气风速。本实用新型极大了简化了系统结构，降低了系统要求。在不需要复杂的大功率纳秒量级脉冲光源以及光电探测器的条件下，仅利用单套大气激光雷达系统就实现了2个维度上的大气风速分布测量。
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是大气风速分布探测的装置图。
图3是面阵图像传感器探测到的激光光束二维成像示意图。
图中：1二极管激光器；2激光发射装置；3激光接收装置；
4带通滤光片；5图像传感器。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。
实施例
A、控制二极管激光器的温度以及驱动电流，使得其输出光束波长与带通滤光片的透射谱重合，激光器发出的光束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t0/2，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，经带通滤光片滤除大气背景信号后，再由图像传感器实现光电探测，获得大气激光光束以及背景信号的二维图像，记为IL。
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t0/2进行光电探测，采集大气背景信号，获得大气背景信号的二维图像，记为IBG。
D、计算IL-IBG得到对应测量时间t0的发射激光光束的二维图像I1。
E、重复步骤(B-D)N次(N为任意自然数)，获得时间段Nt0内发射激光光束的二维图像I1，I2，…IN。
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(沿激光光束轴向的像素，轴向)与测量距离之间的关系，以及垂直于激光光束的方向(纵向)的像素与距离的关系。
G、分别在二维图像的轴向以及纵向选取两个不同位置的像素(参考附图3)，轴向：I(x1,y1)和I(x2,y1)；纵向：I(x1,y1)和I(x1,y2)。在测量时间Nt0内计算其时间相关性：
C1(x1,Δt)＝Corr(I(x1,y1),I(x2,y1)) (1)
C2(x1,Δt)＝Corr(I(x1,y1),I(x1,y2)) (2)
这里函数Corr()为相关性计算函数。根据上述公式可获得像素位置x1在轴向和纵向的激光雷达信号相关时间t1，t2。根据轴向和纵向像素所对应的距离间隔d1和d2，即可求取大气在像素位置x1处所对应的距离上两个维度的风速v1＝d1/t1，v2＝d2/t2。
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，不能认定本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 (1)
1.一种大气风速分布探测的装置，其特征在于，该装置包括二极管激光器、激光发射装置、激光接收装置、带通滤光片和图像传感器，二极管激光器发出的激光光束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，实现对大气颗粒物的后向散射信号强度的二维探测；分别对激光光束在轴向和纵向上的信号进行时间相关性分析，并根据像素所对应的距离信息，利用单套激光雷达系统同时得到两个维度的大气风速信息；
所述的图像传感器、激光接收装置和激光发射装置满足如下关系：图像传感器所在平面、激光接收装置的透镜所在平面和激光发射装置所在光轴位置三者相交，满足Scheimpflug成像原理；
所述的激光发射装置由透镜或透镜组构成；
所述的带通滤光片的透射波长与激光器的工作波长相匹配，即允许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，或由反射式成像系统构成；
所述的图像传感器必须为面阵图像传感器、双线阵图像传感器或多线阵图像传感器。
Priority Applications (1)
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| CN201620818318.5U CN205826867U (zh) | 2016-07-29 | 2016-07-29 | 一种大气风速分布探测的装置 |
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Publications (1)
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN106226782A (zh) * | 2016-07-29 | 2016-12-14 | 大连理工大学 | 一种大气风速分布探测的装置和方法 |
| CN108761486A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-11-06 | 大连理工大学 | 基于Scheimpflug原理的新型激光雷达系统 |
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2016
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