CN209878550U - 一种大气监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种大气监测装置，包括：云台、激光光源、光学发送器、光学接收器、光子探测器、图像采集器和信号处理板；激光光源向光学发送器输出脉冲激光信号；光学发送器对脉冲激光信号进行扩束整形后发射到大气中；光学接收器接收被大气反射回来的脉冲激光信号，聚焦之后传输到光子探测器；光子探测器将电信号以及记录的能量信息发送给所述信号处理板；图像采集器实时采集当前的场景图片，传输至所述信号处理板；信号处理板控制激光光源的输出频率，对第一单光子探测单元和第二单光子探测单元发送的电信号、能量信息以及图像采集器发送的场景图片进行分析，并对接收到的能量信息进行时间统计。应用本实用新型可以对大气进行监测。

Description

一种大气监测装置

技术领域

本申请涉及大气监测技术领域，尤其涉及一种大气监测装置。

背景技术

大气成分组成非常复杂，受人类生产活动影响很大。随着工业的发展，雾霾、PM2.5、PM10、酸雨等等危害生物生存的恶劣天气经常出现，因此人类有着迫切的需求监测因为人类活动而导致的大气变化。在自然界中，云的形态、团雾形态等对人类的生活也到来了很大的影响，例如：云量的多少直接影响着水资源的分布，团雾的出现大大的增加了交通方便的危险。因此，需要对云、雾等自然天气状态进行实时监测与分析，以方便我们更好的认知大气的自然属性。

在现有技术中，用于监测大气的设备比较多。但是，现有技术中的监测仪器的功能较为单一，只能测量某一项大气参数；而且，目前的大多数监测设备只能定点监测设备周边的空气参数，不能监测远距离大气参数。此外，现有技术中的监测仪器往往对环境要求比较苛刻，需要在固定温度的厂房内运行。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种大气监测装置，从而可以对大气进行监测。

本实用新型的技术方案具体是这样实现的：

一种大气监测装置，该装置包括：云台、激光光源、光学发送器、光学接收器、光子探测器、图像采集器和信号处理板；

所述云台，可绕固定轴旋转，用于承载所述激光光源、光学发送器、光学接收器、光子探测器、图像采集器和信号处理板；

所述激光光源，用于向光学发送器输出脉冲激光信号；

所述光学发送器，用于对脉冲激光信号进行扩束整形后发射到大气中；

所述光学接收器，用于接收被大气反射回来的脉冲激光信号，并将接收到的脉冲激光信号聚焦之后传输到光子探测器；

所述光子探测器包括分光棱镜、第一单光子探测单元和第二单光子探测单元，且第一单光子探测单元和第二单光子探测单元的接收光路相互垂直；

所述分光棱镜，用于将接收到的脉冲激光信号分别通过两个光路传输至第一单光子探测单元和第二单光子探测单元；

所述第一单光子探测单元和第二单光子探测单元，分别用于将接收到的脉冲激光信号转换成电信号，探测并记录所接收到的脉冲激光信号的能量，并将电信号以及记录的能量信息发送给所述信号处理板；

所述图像采集器，用于实时采集当前的场景图片，并将采集到的场景图片传输至所述信号处理板；

所述信号处理板，用于控制激光光源的输出频率，对第一单光子探测单元和第二单光子探测单元发送的电信号、能量信息以及图像采集器发送的场景图片进行分析，并对接收到的能量信息进行时间统计。

较佳的，所述光学发送器包括：光路发送单元、第一折射镜和第二折射镜；

所述光路发送单元，用于对脉冲激光信号进行扩束整形，并将扩束整形后的脉冲激光信号传输至第一折射镜；

所述第一折射镜，用于将接收到的脉冲激光信号折射90度后传输至第二折射镜；

所述第二折射镜，用于将接收到的脉冲激光信号折射90度后发射到大气中。

较佳的，所述光学接收器采用卡塞格林或者牛顿结构。

较佳的，所述激光光源为偏振脉冲激光器。

较佳的，所述大气监测装置还包括：制冷器和加热器；

所述制冷器，用于当环境温度高于预设第一温度时，对激光光源进行制冷；

所述加热器，用于当环境温度低于预设第二温度时，对激光光源进行加热。

较佳的，所述大气监测装置还包括：通信单元；

所述通信单元，用于将信号处理板的数据发送给服务器。

较佳的，所述图像采集器为摄像机或摄像头。

如上可见，在本实用新型中的大气监测装置中，激光光源输出的脉冲激光信号在光学发送器中经过扩束、整形后发射到大气中，该脉冲激光信号在大气中会受到大气中的颗粒物的吸收与反射；光学接收器可以接收被大气反射回来的脉冲激光信号，光子探测器可以监测光子级的信号，因此可以很灵敏的监测到被大气反射回来的脉冲激光信号的能量的变化，通过信号处理板对脉冲激光信号的能量的分析以及偏振光能量的变化的分析，可以根据能量的变化以及变化率的比来分析当前大气的颗粒物的含量以及分布；另外，图像采集器还可以实时采集当前的场景图片，因此可以将场景图片融合到采集到的脉冲激光信号的数据中，既可以通过采集到的脉冲激光信号的数据分析当前大气情况，也可以通过图像采集器的场景图片来观测实时的大气状态，通过与场景图片的对比可以得到更加直观的大气数据；同时，还可以通过图像采集器模仿人眼来观测大气能见度，实现对大气能见度的观测，分析当前的可视距离。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的大气监测装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例中的大气监测装置的结构示意图。

如图1所示，本实用新型实施例中的大气监测装置包括：云台11、激光光源12、光学发送器13、光学接收器14、光子探测器、图像采集器18和信号处理板19；

所述云台11，可绕固定轴旋转，用于承载所述激光光源12、光学发送器13、光学接收器14、光子探测器、图像采集器18和信号处理板19；

所述激光光源12，用于向光学发送器13输出脉冲激光信号；

所述光学发送器13，用于对脉冲激光信号进行扩束整形后发射到大气中；

所述光学接收器14，用于接收被大气反射回来的脉冲激光信号，并将接收到的脉冲激光信号聚焦之后传输到光子探测器；

所述光子探测器包括分光棱镜15、第一单光子探测单元16和第二单光子探测单元17，且第一单光子探测单元16和第二单光子探测单元17的接收光路相互垂直；

所述分光棱镜15，用于将接收到的脉冲激光信号分别通过两个光路传输至第一单光子探测单元16和第二单光子探测单元17；

所述第一单光子探测单元16和第二单光子探测单元17，分别用于将接收到的脉冲激光信号转换成电信号，探测并记录所接收到的脉冲激光信号的能量，并将电信号以及记录的能量信息发送给所述信号处理板19；

所述图像采集器18，用于实时采集当前的场景图片，并将采集到的场景图片传输至所述信号处理板19；

所述信号处理板19，用于控制激光光源12的输出频率，对第一单光子探测单元16和第二单光子探测单元17发送的电信号、能量信息以及图像采集器发送的场景图片进行分析，并对接收到的能量信息进行时间统计。

在本实用新型的技术方案中，激光光源输出的脉冲激光信号在光学发送器中经过扩束、整形后发射到待测气体或大气中。待测气体或大气中的分子或者悬浮颗粒物体(例如，水汽、气溶胶、固体颗粒等等)可以对激光信号产生一定的反射，并且造成被反射的激光发生一定的拉曼偏移，因此可以根据反射的激光的强度变化、频率变化以及偏正比的变化，来推算大气的特性。上述的脉冲激光信号在大气中会受到大气中的颗粒物的吸收与反射；光学接收器可以接收被大气反射回来的脉冲激光信号，光子探测器可以监测光子级的信号，因此可以很灵敏的监测到被大气反射回来的脉冲激光信号的能量的变化，通过信号处理板对脉冲激光信号的能量的分析以及偏振光能量的变化的分析，可以根据能量的变化以及变化率的比来分析当前大气的颗粒物的含量以及分布；另外，图像采集器还可以实时采集当前的场景图片，因此可以将场景图片融合到采集到的脉冲激光信号的数据中，既可以通过采集到的脉冲激光信号的数据分析当前大气情况，也可以通过图像采集器的场景图片来观测实时的大气状态，通过与场景图片的对比可以得到更加直观的大气数据；同时，还可以通过图像采集器模仿人眼来观测大气能见度，实现对大气能见度的观测，分析当前的可视距离。

因此，通过使用上述的大气监测装置，可以实现对大气的特性的分析，得到不同距离位置的大气中气溶胶的含量以及固体颗粒的含量，并观测实时的大气状态，因此可以得到当前天气的状态，为大气的研究分析提供一定的数据支持。

另外，较佳的，在本实用新型的一个具体实施例中，所述光学发送器13包括：光路发送单元31、第一折射镜32和第二折射镜33；

所述光路发送单元31，用于对脉冲激光信号进行扩束整形，并将扩束整形后的脉冲激光信号传输至第一折射镜32；

所述第一折射镜32，用于将接收到的脉冲激光信号折射90度后传输至第二折射镜33；

所述第二折射镜33，用于将接收到的脉冲激光信号折射90度后发射到大气中。

通过使用上述的光学发送器，可以使得激光的发送光路与接收光路处于同一轴线上。

另外，较佳的，在本实用新型的一个具体实施例中，所述光学接收器可以采用卡塞格林或者牛顿结构。

通过上述的光学接收器，可以从大气中接收被大气反射的微弱的脉冲激光信号，并且还支持焦距的调节等功能。

另外，较佳的，在本实用新型的一个具体实施例中，所述激光光源可以是偏振脉冲激光器，其可以输出频率可控的脉冲激光信号，并且输出频率稳定，单脉冲激光能量稳定。

另外，较佳的，在本实用新型的一个具体实施例中，所述大气监测装置还可以包括：制冷器21和加热器22；

所述制冷器21，用于当环境温度高于预设第一温度时，对激光光源进行制冷；

所述加热器22，用于当环境温度低于预设第二温度时，对激光光源进行加热。

通过使用上述的制冷器和加热器，可以使得大气监测装置中的激光光源一直工作在最佳的温度范围内(例如，15～35摄氏度)。

另外，较佳的，在本实用新型的一个具体实施例中，所述大气监测装置还可以包括：通信单元23；

所述通信单元23，用于将信号处理板的数据发送给服务器。

例如，在本实用新型的技术方案中，该通信单元可以通过移动网络、局域网和有线网络等方式自动或手动将信号处理板的数据实时地发送给远端的服务器。

另外，较佳的，在本实用新型的一个具体实施例中，所述图像采集器可以是摄像机(例如，CCD摄像机)或摄像头，也可以是其它的可以采集图像的设备。

另外，较佳的，在本实用新型的一个具体实施例中，云台可以360°旋转，也可以通过远程主机来控制改云台的转动方向和速度，因此可以旋转到任意方向对大气进行监测。

综上所述，在本实用新型的技术方案中，激光光源输出的脉冲激光信号在光学发送器中经过扩束、整形后发射到大气中，该脉冲激光信号在大气中会受到大气中的颗粒物的吸收与反射；光学接收器可以接收被大气反射回来的脉冲激光信号，光子探测器可以监测光子级的信号，因此可以很灵敏的监测到被大气反射回来的脉冲激光信号的能量的变化，通过信号处理板对脉冲激光信号的能量的分析以及偏振光能量的变化的分析，可以根据能量的变化以及变化率的比来分析当前大气的颗粒物的含量以及分布；另外，图像采集器还可以实时采集当前的场景图片，因此可以将场景图片融合到采集到的脉冲激光信号的数据中，既可以通过采集到的脉冲激光信号的数据分析当前大气情况，也可以通过图像采集器的场景图片来观测实时的大气状态，通过与场景图片的对比可以得到更加直观的大气数据；同时，还可以通过图像采集器模仿人眼来观测大气能见度，实现对大气能见度的观测，分析当前的可视距离。

另外，本实用新型中的大气监测装置具有以下的优点：

1)该大气监测装置是采用激光雷达原理来分析大气参数，通过发射脉冲激光，监测脉冲激光反射状态，进而分析大气的云、雾、雾霾、PM2.5、PM10、固体颗粒等等分布情况以及时空演变，从而可以同时测量多项大气参数；最大有效监测距离可以达到20km；

2)该大气监测装置运转的平台为可一定角度旋转的云台，能实现3D立体扫描大气参数，通过后期算法分析，可以实现3D空间大气参数状态显示；

3)该大气监测装置安装有辅助视觉分析的图像采集器(例如，CCD网络摄像头)，该图像采集器不仅具备观测大气状态的显示界面，而且可以实现对大气能见度的分析，分析当前可视距离；

4)该大气监测装置上可以设置移动网络通信接口、WLAN接口等，可以实现远距离网络通信，将数据发送到服务器；

5)该大气监测装置中设置有水冷循环系统，可以对系统内部高温器件水循环制冷，因此可以保证设备在高温天气依然可以正常运行；还可以设置加热功能，在气温较低的地区或者季节，设备内某些元件因为低温可能无法正常运行，因此该大气监测装置具有加热功能，可以实现对设备的加热，保证设备工作在最佳的工作温度范围；因此，该大气监测装置可以在室外运行，减小了对环境的要求；

6)该大气监测装置中的最小时间分辨率可预先设置，设置时间可以为25ns、50ns、100ns，其对应的空间分辨率可以为7.5m、15m以及30m。

7)该大气监测装置的单台造价成本相对低。

因此，在本实用新型中的大气监测装置不仅可以用于对大气进行监测，还可以适用于大气科学研究、大气能见度观测、气溶胶散射系数的测量、云高监测、云量监测、团雾监测、污染物排放监测以及精细颗粒物(PM2.5或PM10)监测等应用场景。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种大气监测装置，其特征在于，该装置包括：云台、激光光源、光学发送器、光学接收器、光子探测器、图像采集器和信号处理板；

所述云台，可绕固定轴旋转，用于承载所述激光光源、光学发送器、光学接收器、光子探测器、图像采集器和信号处理板；

所述激光光源，用于向光学发送器输出脉冲激光信号；

所述光学发送器，用于对脉冲激光信号进行扩束整形后发射到大气中；

所述光学接收器，用于接收被大气反射回来的脉冲激光信号，并将接收到的脉冲激光信号聚焦之后传输到光子探测器；

所述光子探测器包括分光棱镜、第一单光子探测单元和第二单光子探测单元，且第一单光子探测单元和第二单光子探测单元的接收光路相互垂直；

所述分光棱镜，用于将接收到的脉冲激光信号分别通过两个光路传输至第一单光子探测单元和第二单光子探测单元；

所述第一单光子探测单元和第二单光子探测单元，分别用于将接收到的脉冲激光信号转换成电信号，探测并记录所接收到的脉冲激光信号的能量，并将电信号以及记录的能量信息发送给所述信号处理板；

所述图像采集器，用于实时采集当前的场景图片，并将采集到的场景图片传输至所述信号处理板；

所述信号处理板，用于控制激光光源的输出频率，对第一单光子探测单元和第二单光子探测单元发送的电信号、能量信息以及图像采集器发送的场景图片进行分析，并对接收到的能量信息进行时间统计。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学发送器包括：光路发送单元、第一折射镜和第二折射镜；

所述光路发送单元，用于对脉冲激光信号进行扩束整形，并将扩束整形后的脉冲激光信号传输至第一折射镜；

所述第一折射镜，用于将接收到的脉冲激光信号折射90度后传输至第二折射镜；

所述第二折射镜，用于将接收到的脉冲激光信号折射90度后发射到大气中。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述光学接收器采用卡塞格林或者牛顿结构。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述激光光源为偏振脉冲激光器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述大气监测装置还包括：制冷器和加热器；

所述制冷器，用于当环境温度高于预设第一温度时，对激光光源进行制冷；

所述加热器，用于当环境温度低于预设第二温度时，对激光光源进行加热。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述大气监测装置还包括：通信单元；

所述通信单元，用于将信号处理板的数据发送给服务器。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述图像采集器为摄像机或摄像头。