CN207730930U - 一种可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可测量臭氧三维浓度分布的走航激光雷达系统，包括车辆载体，臭氧激光雷达设于内部的容置空间内，臭氧激光雷达包括前光路系统具有依次相接的激光器、拉曼管、扩束器和反射镜；后光路系统具有依次相接的望远镜、大芯径光纤和高分辨率分光光谱仪，臭氧雷达上部具有三维扫描装置，与车辆载体顶部套接。本实用新型的目的是提供一种可测量臭氧三维浓度分布的走航激光雷达系统。

Description

一种可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统。

背景技术

当前在近地面主要采用臭氧分析仪来探测近地面臭氧浓度，主要的探测仪器为臭氧分光光度计；探测臭氧总含量(柱浓度)可以采用高分辨率太阳光谱仪和天光光度计，高分辨率太阳光谱技术是通过测量紫外波段的太阳光谱(一般取300-340nm)进而采用带吸收法推算大气中的臭氧总量，天光光度法是通过在地面测量天顶方向曙光的散射光谱强度来获取臭氧的总量，除此之外还可以采用卫星遥感的方法来探测臭氧总量；而获取臭氧浓度廓线最成熟的方法是利用臭氧探空仪搭载臭氧传感器的方法，该方法能够获取地面至上平流层高度范围内的大气臭氧分布廓线，然而该方法还存在着获取数据时间长、人力成本高、不能长时间连续监测等缺点。

为了能够快速有效的获取臭氧浓度廓线，人类在不断探索更加有效的探测手段，臭氧探测激光雷达就是近年来发展起来的新型探测技术，它具有速度快，如获取单条廓线时间<10min、探测高度高>5km、分辨率高<10m、可无人值守连续24小时观测等优点，发展速度很快。

但是，目前市场上的臭氧激光雷达还存在着只能定点观测、无法获取臭氧三维浓度分布等问题，限制了臭氧雷达在应急突发状况、巡视可疑污染源、量化污染输送等应用。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的是提供一种可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统。

本实用新型提供的一种可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统，包括：

车辆载体，其内部具有容置空间；

臭氧激光雷达，设于所述车辆载体内，包括：前光路系统，具有依次相接的激光器、拉曼管、扩束器和反射镜；后光路系统，具有依次相接的望远镜、大芯径光纤和高分辨率分光光谱仪；经过所述反射镜反射的高能光波进入大气后，后向散射部分被所述望远镜接收；光电倍增管与所述高分辨率分光光谱仪连接，将经过高分光谱仪分光得到的不同波长的光进入到光电倍增管进行光信号放大并转换为电信号；多通道模拟和/或光子计数模块与所述光电倍增管连接，光电倍增管采集到的电信号发送到所述多通道模拟和/或光子计数模块中；同步控制与数据采集模块，所述同步控制与数据采集模块分别与所述激光器和所述多通道模拟和/或光子计数模块连接。

三维扫描装置，设于所述臭氧激光雷达的上部，具有两个倾斜且相互平行的反射镜，分别为第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜和第二反射镜能够在水平传动机构的带动下实现0至360度转动，所述第二反射镜在竖直转动机构的带动下实现0至180度的转动，所述臭氧激光雷达发射的激光通过所述第一反射镜和第二反射镜射出。

可选地，所述车辆载体内设有臭氧分析仪。

可选地，所述臭氧激光雷达和/或臭氧分析仪与车辆载体的接触面上设有减震器。

可选地，所述车辆载体上设有GPS定位装置。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型一种可测量臭氧三维浓度分布的走航激光雷达系统，包括车辆载体、臭氧激光雷达和与臭氧激光雷达发射光出口连接的三维扫描装置，臭氧激光雷达设于车辆载体内的容置空间内，三维扫描装置设于臭氧激光雷达的上部，通过上述结构实现了移动式进行三维臭氧数据采集，测量的空间范围增大，更容易分析出臭氧在空间的流向，对于气体来源的分析更简单和直观，对应急突发状况、巡视可疑污染源、量化污染输送等方面起到了很好的应用效果；另外，三维扫描装置的结构设计合理，保证了三维扫描的稳定性，扫描结果更准确。

2.本实用新型一种可测量臭氧三维浓度分布的走航激光雷达系统，它的具体工作原理：臭氧激光雷达中的激光器出射的激光(以 266nm激光为例)到达拉曼管，拉曼管内充满了具有压力且易产生拉曼效应的气体，激光经过拉曼管中的气体(以D₂为例)产生289nm及316nm波长的拉曼受激散射光，这些不同波长的光(266nm,289nm 及316nm)经扩束器的扩束发射到大气中，发射到大气中的光波的后向散射部分被望远镜接收，又进入到大芯径光纤中，并由光纤导入至高光谱仪中，经过光谱仪分光后将上述不同波长的光进入到各自的光电倍增管进行光信号的放大并转换为电信号，由光电倍增管采集到的电信号被发送到多通道模拟&光子计数模块中，该模块能够同时采集模拟信号和光子信号，进而扩大了信号的采集范围，同步控制&数据采集系统控制激光器和多通道模拟&光子计数模块的采集时间并进行初步的数据处理，之后由计算机进一步处理和输出显示。上述激光雷达系统在实现有效臭氧探测的基础上成本更低，噪音干扰更小，系统更加稳定，因此，上述臭氧激光雷达在实现可移动三维探测的同时稳定性更高，臭氧激光雷达的底部设有减震器，避免在车辆移动的过程中出现颠簸而损坏仪器或对系统测试造成干扰。

3.本实用新型的可测量臭氧三维浓度分布的走航激光雷达系统，还设有定位装置，通过走航+三维臭氧雷达数据+高精度的定位装置可以非常直观的在地图中显示区域范围内的臭氧分布信息，数据更加直观。

4.本实用新型的可测量臭氧三维浓度分布的走航激光雷达系统，受限于激光雷达本身存在的盲区(一般大于100m)，结合车载臭氧分析仪可以形成空天一体式监测数据。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型的系统结构示意图；

图2为臭氧激光雷达的结构示意图；

图3为三维扫描装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供的一种可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统，参见图1所示，包括一台经过改装的车辆，其内部空间(或可使用空间)与臭氧激光雷达2相融合，车辆本身的速度限定不超过50km/h。具体地，经过改装的雷达车，采用奔驰斯宾特A8加长版作为基础车型，经改装后，公告尺寸为7535×1993×2995m³(长×宽×高)，内部可用尺寸为4400×1800×2200m³⁽长×宽×高)。

在臭氧激光雷达2与车辆载体1的接触面之间装有减震器12，减震装置采用弹簧式减震结构，能够有效的防止车辆在遇到坑洼不平的路面时导致的仪器的硬损坏。同时在车内部增加4根支撑结构，使车顶的支撑能力提高到500kg以上有效降低不良路况对系统测试的干扰及损坏。

本实施例中车辆载体内放置的臭氧激光雷达2，参见图2所示，探测部件包括一台高品质高能激光器、拉曼管、大口径望远镜、高分辨率光谱仪、高灵敏度探测器、高速数据采集卡、同步控制&数据采集子系统、工控机及相应的处理显示软件、显示器及一些光学器件等，系统整体布局紧凑，体积小。具体为从激光器21(臭氧对紫外波段的光波有强烈的吸收作用，所以当前主要采用紫外波段的激光器)出射的激光到达拉曼管22，拉曼管中充满了具有一定压力并且比较容易产生拉曼效应的气体，激光经过拉曼管22中的气体产生多个波长的拉曼受激散射光，这些不同波长的光经过扩束器23的扩束发射到大气中；在大气中出射的拉曼散射光波与大气中的臭氧、气溶胶等发生作用，有些被吸收，有些被散射，经反射镜24后向散射部分被大口径望远镜25所接收，接收到的回波通过光阑26后进入到大芯径光纤27中，并由光纤导入到高分光能力光谱仪28中，经过光谱仪的分光不同波长的光进入到不同的高灵敏度探测器29进行信号的初步放大，由高灵敏度探测器采集到电信号被发送到光子计数模块20和高速数据采集卡201中，该模块能够高速采集微弱信号。整个系统由计算机202进行控制，由同步控制&数据采集系统控制激光器和高速数据采集卡的采集时间并进行初步的数据处理，之后由计算机进行进一步处理和输出显示。

上述臭氧探测激光雷达的具体参数如下，本体大小尺寸为1500 ×900×1700m³(长×宽×高)，底部与减震装置紧密连接，臭氧激光雷达采用的激光器为能够发射266nm波长的YAG晶体激光器，它的单脉冲能量为100mJ，频率为10Hz，发散角为1mrad；采用的拉曼管长度为1.2m，拉曼管两端装有镀有高透膜的石英玻璃，通光尺寸为15mm，在拉曼管内充有纯度超过99.999％的氘气，气压为10个大气压，拉曼管上带有指示压力表；激光通过拉曼管后会产生289nm与316nm的受激拉曼光，残留的266nm激光连同289nm，316nm的拉曼光一起通过6倍扩束的扩束器，并经过反射镜反射到大气中；发射的光波经过大气中的臭氧、气溶胶散射后，回波由一台290mm的卡塞格林型望远镜接收，接收的光波经过1mm芯径的石英光纤到达高品质光谱仪；光谱仪本身的采用3600lines/mm的光栅分光，将266nm、289nm、316nm 波长的回波分开，由光电倍增管进行接收。

参见图3所示，上述臭氧激光雷达2出光口的对应位置设有三维扫描装置3，三维扫描装置3与车辆载体1顶部相嵌套，该三维扫描装置具体包括竖直传动系和水平传动系，竖直传动系包括第一转筒 31，第一转筒31的下端部与第一涡轮32通过螺钉固定连接，第一涡轮32与第一蜗杆33啮合，第一蜗杆33通过竖直传动电机驱动转动，电机轴转动带动第一蜗杆33和第一涡轮32转动；第一转筒31的上端部通过螺钉与第一锥齿轮35固定连接，第一锥齿轮35又与第二锥齿轮34成直角状啮合，第二锥齿轮34通过螺钉与第三转筒36的一端面固定连接；水平传动系包括第二转筒37，第二转筒37的下端部与第二涡轮38通过螺钉固定连接，第二涡轮38与第二蜗杆39啮合，第二蜗杆39通过水平传动电机驱动转动，电机轴转动带动第二蜗杆 39和第二涡轮38转动，从而带动第二转筒37水平方向周向转动，第二转筒37的上端面通过螺钉与水平转板40固定连接，竖直连接板 41设于水平转板40上，水平转板40的一侧与竖直连接板41一侧成直角固定连接或直角一体成型，竖直连接板41中央设有一成型通孔，第三转筒36的另一端面穿过竖直连接板41上的通孔，第三转筒36 可在该通孔内转动。扫描电机的转速不高，一般不超过60转/min。

水平转板40上加设一后反射镜支架，后反射镜支架的后侧面与水平面成一定倾角，第一反射镜42固定在上面，且第一反射镜42的反射面朝内；第三转筒36的前端面固定连接扫描头转板43，扫描头转板43与竖直连接板41平行设置，前反射镜支架与扫描头转板43固定连接，前反射镜支架的前侧面与水平面成一定角度，第二反射镜 44固定在上面，其反射面朝内，前后两个反射镜42，44相互平行且倾斜45度放置，其投影到水平面的圆直径为310mm，反射镜采用k9 玻璃，厚度为50mm；固定板45设于两组涡轮蜗杆上部，第二转筒37 穿过固定板45上的成型通孔，固定板45与第二转筒37的接触面上设有角接触轴承46，固定板45与水平转板40之间设有外壳，该外壳的下端部又与固定板45通过螺钉固定连接；扫描头转板43与第二锥齿轮34之间，且环第三转筒36外壁设有深沟球轴承47及相适配的轴承座。

通过上述三维扫描装置，第一反射镜42和第二反射镜44能够在水平传动系的带动下实现0至360度转动，第二反射镜44在竖直转动系的带动下实现0至180度的转动。水平旋转时，水平扫描角度的范围为0°～360°(以Ox为起始点，逆时针在xOy转一圈为360°)，可一直旋转，无需在进行下一圈时退回起始点，角速度为8°/s；垂直扫描角度的范围为5°～175°(以Oy为起始点，逆时针在yOz转一圈为360°)，角速度为8°/s。

本实施例中，在雷达车辆或者激光雷达内部装有高精度GPS定位装置13，实时监测雷达车的位置并记录，本实施例的定位装置选用北京瑞芬星通有限公司生产的GP208T型北斗GPS定位定向板卡，其单点定位精度达到2m，定向精度为0.2°，可以根据此GPS提供的信息结合商业地图重构出雷达车的运行轨迹；同时，在雷达车或者激光雷达内部装有可调整内部温度的空调，使激光雷达在工作时处于适宜温度范围，本实施例的内部空调系统14，选用苏州海派特热能设备有限公司的HCc-200型一体式工业空调，空调的制冷量为2000W，其直接嵌入到改装车车体的后方，在空调外部增加可通风的防护罩，这样可以节省车内部空间也可保持车的美观性；雷达车或者激光雷达内部还装有温度传感器15和湿度传感器16，通过温、湿度传感器，可以实时监测雷达车内部的温湿度数据，必要时及时开启空调的控温、控湿功能，使探测激光雷达工作在一个合适的环境中。湿度传感器选用广州奥松电子有限公司的AM2120型传感器，它是一种高品质电容式湿度传感器，它的湿度精度可达3％RH，能够满足系统需要；温度传感器选用美国 DALLAS公司的DS18B20型，它在-10℃to+85℃的范围内的温度精度可达±0.5℃。

本实施例中，在雷达车内部装有能够测量地面臭氧浓度分析仪11，作为对比测试仪器(误差一般小于10％)。

另外，系统中的臭氧激光雷达2、车顶的三维扫描装置3、臭氧浓度分析仪11、温度传感器15、湿度传感器16、内部空调系统14及高精度GPS定位装置13都可以通过一个综合控制软件进行控制并显示，形成一个相对稳定的系统，该软件所能反演的结果包括但不限于原始信号廓线、距离平方信号廓线、大气颗粒物消光系数、大气颗粒物后向散射系数、臭氧浓度廓线、信噪比等。

需要说明的是，本申请并不限于大气臭氧探测应用，还可以应用于二氧化硫探测、二氧化氮探测及其它走航观测的激光雷达。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统，其特征在于，包括：

车辆载体(1)，其内部具有容置空间；

臭氧激光雷达(2)，设于所述车辆载体(1)内，包括：前光路系统，具有依次相接的激光器(21)、拉曼管(22)、扩束器(23)和反射镜(24)；后光路系统，具有依次相接的望远镜(25)、大芯径光纤(27)和高分辨率分光光谱仪(28)；经过所述反射镜(24)反射的高能光波进入大气后，后向散射部分被所述望远镜(25)接收；光电倍增管(29)与所述高分辨率分光光谱仪(28)连接，将经过高分光谱仪分光得到的不同波长的光进入到光电倍增管(29)进行光信号放大并转换为电信号；多通道模拟和/或光子计数模块(20)与所述光电倍增管(29)连接，光电倍增管(29)采集到的电信号发送到所述多通道模拟和/或光子计数模块(20)中；同步控制与数据采集模块(201)，所述同步控制与数据采集模块(201)分别与所述激光器(21)和所述多通道模拟和/或光子计数模块(20)连接；

三维扫描装置(3)，设于所述臭氧激光雷达(2)上，设于所述臭氧激光雷达(2)的上部，具有两个倾斜且相互平行的反射镜，分别为第一反射镜(42)和第二反射镜(44)，所述第一反射镜(42)和第二反射镜(44)能够在水平传动机构的带动下实现0至360度转动，所述第二反射镜(44)在竖直转动机构的带动下实现0至180度的转动，所述臭氧激光雷达(2)发射的激光通过所述第一反射镜(42)和第二反射镜(44)射出。

2.根据权利要求1所述的可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统，其特征在于，所述车辆载体内设有臭氧分析仪(11)。

3.根据权利要求1所述的可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统，其特征在于，所述臭氧激光雷达(2)和/或臭氧分析仪(11)与车辆载体(1)的接触面上设有减震器(12)。

4.根据权利要求1所述的可测量臭氧浓度分布的走航激光雷达系统，其特征在于，所述车辆载体(1)上设有GPS定位装置(13)。