CN212845018U - 一种小型气溶胶探测仪及近地面大气气溶胶探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型气溶胶探测仪及近地面大气气溶胶探测装置，包括供电单元、光发射单元、光接收单元和信号采集处理单元；其中，供电单元在为光发射单元和信号采集处理单元供电的同时，可以控制所述光发射单元和信号采集处理单元的光发射间隔和光信号接收间隔，以提高后向散射光采集的有效性。光发射单元采用LED作为遥感光源，体积小、重量轻，使气溶胶探测仪实现了小型化、轻便性的结构设计，从而可以搭载在无人机上，对近地面大气气溶胶实现原位测量，继而达到了提高测量精度的目的，解决了目前主流的卫星遥感和地基激光雷达等高空探空设备无法高精度原位探测近地面大气气溶胶后向散射系数的问题。

Description

一种小型气溶胶探测仪及近地面大气气溶胶探测装置

技术领域

本实用新型属于遥感探测技术领域，具体地说，是涉及一种大气气溶胶探测装置。

背景技术

目前，大气污染严重，城市和区域雾霾现象频繁发生，影响范围越来越广，其中，人类活动排放的大气气溶胶显著增加是导致雾霾频发的主要原因之一，因此分析研究大气气溶胶的时空分布和光学特性，对大气气溶胶的探测在物理科学研究中具有重要意义。

目前主流的大气气溶胶后向散射探测手段主要包括卫星遥感探测和地基激光雷达观测两种，这两种探测手段均是针对高空探测，无法对近地面大气中的气溶胶实现原位测量，因此测量精度偏低，特别是地基激光雷达，有时还需面临测量盲区的问题。并且，目前的这些主流探空设备，由于高度原因使得设备的体积和重量都较大，操作不便。同时由于对流层气象环境复杂多变，湿度随高度的不同而存在较大的空间变率，由此导致高空探空设备对于对流层的探测存在灵敏度低，响应速度慢等缺点。

随着遥感探测技术和发光二极管光源技术的不断完善, 使得探空技术及行业有了突飞猛进的发展，逐渐出现了以发光二极管LED为遥感光源的光学雷达。由于LED光源波长丰富，能量对人眼安全，因此非常适用于与人类活动密切相关且气溶胶分布较多的近地面近距离大气气溶胶探测领域。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种以LED为遥感光源的小型气溶胶探测仪，体积小、重量轻，在将其搭载在无人机上使用时，可以实现近地面大气气溶胶的原位测量。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

在一个方面，本实用新型提出了一种小型气溶胶探测仪，包括外壳以及封装在外壳中的供电单元、光发射单元、光接收单元和信号采集处理单元；其中，所述供电单元包括电源模块和脉冲调制模块，所述电源模块生成若干路工作电源，为所述光发射单元和信号采集处理单元供电；所述脉冲调制模块生成脉冲信号，用于调节所述光发射单元的光发射间隔以及所述信号采集处理单元的光信号接收间隔；所述光发射单元包括两路分别发射不同波长的光束的LED光源、驱动电路和准直电路；所述驱动电路接收所述脉冲信号，驱动所述LED光源发射脉冲光束；所述准直光路用于将所述脉冲光束调整为平行光束，发射至待测大气；所述光接收单元包括接收镜头和分光镜组件，所述接收镜头用于接收所述光发射单元发射到大气中的平行光束在遇到气溶胶后形成的后向散射光；所述分光镜组件用于从所述接收镜头采集到的后向散射光中分离出两路不同波长的目标光束，两路目标光束的波长与两路所述LED光源发射的光束的波长相同；所述信号采集处理单元包括光电探测器和信号处理电路，所述光电探测器包括两路，分别接收所述分光镜组件输出的两路目标光束，并转换成相应的电信号；所述信号处理电路采集所述光电探测器输出的电信号，并处理成数字信号后存储并对外传输。

在本申请的一些实施例中，优选在所述驱动电路中设置恒流源，利用恒流源输出的恒定电流驱动所述LED光源发光，以提高LED光源的发光能量并稳定光信号。

在本申请的一些实施例中，优选将所述脉冲调制模块输出的脉冲信号传输至所述恒流源和光电探测器的使能端，通过控制所述恒流源和光电探测器使能运行，以调节所述LED光源的光发射间隔以及所述光电探测器的光信号接收间隔，使光电探测器在LED光源发射光束的期间使能运行，接收光接收单元在该时间段内采集到的后向散射光，以用于光电转换及信号处理，由此确保大气气溶胶探测的准确性。

在本申请的一些实施例中，所述准直光路包括全内反射准直镜和菲涅尔准直镜；其中，所述全内反射准直镜包括两个，每一个全内反射准直镜的内部分别安装有一个所述LED光源；所述菲涅尔准直镜包括两个，分别对应接收由两个所述全内反射准直镜准直发出的光束，并进行二级准直后，发射至待测大气。

在本申请的一些实施例中，所述接收镜头包括前准直透镜、聚焦透镜和后准直透镜；其中，所述前准直透镜接收所述光发射单元发射到大气中的平行光束在遇到气溶胶后形成的后向散射光，并调整成平行光；所述聚焦透镜对所述前准直透镜发出的平行光进行汇聚；所述后准直透镜对通过所述聚焦透镜汇聚后的光束进行准直，以调整成汇聚后的平行光束。

在本申请的一些实施例中，所述分光镜组件包括二向色镜、第一窄带滤光片、第二窄带滤光片和聚焦透镜；其中，所述二向色镜从所述接收镜头输出的光束中分离出两路不同波段的光束；所述第一窄带滤光片接收所述二向色镜分离出的其中一路光束，并过滤出与其中一路LED光源发射的光束相同波长的目标光束；所述第二窄带滤光片接收所述二向色镜分离出的另外一路光束，并过滤出与另外一路LED光源发射的光束相同波长的目标光束；所述聚焦透镜包括两个，分别对所述第一窄带滤光片和第二窄带滤光片发出的目标光束进行汇聚后，一一对应地入射至两路所述光电探测器。

在本申请的一些实施例中，优选配置两路所述LED光源发射的光束的波长分别为455nm、940nm；优选配置所述二向色镜分离出的两路光束的波段分别为400nm~633nm、685nm~1600nm；优选配置所述第一窄带滤光片的中心波长为455nm，透光率在90%以上；优选配置所述第二窄带滤光片的中心波长为940nm，透光率在90%以上。

在本申请的一些实施例中，所述信号处理电路包括信号放大电路、信号采集电路、数据存储电路和数据传输电路；其中，所述信号放大电路接收两路所述光电探测器输出的电信号，进行并行放大处理；所述信号采集电路并行采集所述信号放大电路输出的两路电信号，并转换成数字信号；所述数据存储电路接收所述信号采集电路输出的数字信号并进行数据存储；所述数据传输电路用于将所述数据存储电路存储的数据发送至外部的上位机。

在另一个方面，本实用新型还提出了一种近地面大气气溶胶探测装置，包括无人机，在所述无人机的机身上设置有搭载台，在所述搭载台上安装有小型气溶胶探测仪；所述小型气溶胶探测仪包括外壳以及封装在外壳中的供电单元、光发射单元、光接收单元和信号采集处理单元；其中，所述供电单元包括电源模块和脉冲调制模块，所述电源模块生成若干路工作电源，为所述光发射单元和信号采集处理单元供电；所述脉冲调制模块生成脉冲信号，用于调节所述光发射单元的光发射间隔以及所述信号采集处理单元的光信号接收间隔；所述光发射单元包括两路分别发射不同波长的光束的LED光源、驱动电路和准直电路；所述驱动电路接收所述脉冲信号，驱动所述LED光源发射脉冲光束；所述准直光路用于将所述脉冲光束调整为平行光束，发射至待测大气；所述光接收单元包括接收镜头和分光镜组件，所述接收镜头用于接收所述光发射单元发射到大气中的平行光束在遇到气溶胶后形成的后向散射光；所述分光镜组件用于从所述接收镜头采集到的后向散射光中分离出两路不同波长的目标光束，两路目标光束的波长与两路所述LED光源发射的光束的波长相同；所述信号采集处理单元包括光电探测器和信号处理电路，所述光电探测器包括两路，分别接收所述分光镜组件输出的两路目标光束，并转换成相应的电信号；所述信号处理电路采集所述光电探测器输出的电信号，并处理成数字信号后存储并对外传输。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的气溶胶探测仪采用LED作为遥感光源，体积小、重量轻，使气溶胶探测仪实现了小型化、轻便性的结构设计，从而可以搭载在无人机上，对近地面大气中的气溶胶实现原位测量，继而达到了提高测量精度的目的。同时，本实用新型的气溶胶探测仪可以在近地面大气中可靠工作，能够对0~200m高度范围内的大气气溶胶实现准确探测，从而解决了目前主流的卫星遥感和地基激光雷达等高空探空设备无法高精度原位探测近地面大气气溶胶后向散射系数的问题，并且能够与地面大型观测仪器提供互补的观测功能。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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例，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为本实用新型所提出的小型气溶胶探测仪的一种实施例的整体架构图；

图2为本实用新型的小型气溶胶探测仪中光路系统的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。

如图1所示，本实施例的小型气溶胶探测仪主要包括供电单元、光发射单元、光接收单元和信号采集处理单元四个部分，封装于一个外壳20中，以便于搭载在无人机上，随无人机升空至待测高度的大气中，从而实现对待测大气气溶胶的原位测量。

在本实施例中，所述供电单元用于为光发射单元和信号采集处理单元提供工作电源，并对光发射单元的光发射间隔以及信号采集处理单元的光信号接收间隔进行调整，通过控制信号采集处理单元仅在光发射单元向大气气溶胶发射光束的期间内，同步接收来自光接收单元采集到的向后散射光，由此可以保证光信号采集的有效性，并有助于提升大气气溶胶探测的准确度。

作为一种优选实施例，在所述供电单元中可以具体设置电源模块1和脉冲调制模块2，结合图1、图2所示。其中，电源模块1用于根据探测仪中各用电负载的用电需求，生成一路或多路工作电源，为各用电负载供电。在本实施例中，所述电源模块1优选输出三路工作电源，一路工作电源VCC为所述脉冲调制模块2供电，另外两路工作电源VCC1、VCC2分别为光发射单元和信号采集处理单元供电。

所述脉冲调制模块2用于生成脉冲信号，通过对脉冲信号的占空比进行调节，以实现对光发射间隔以及光信号接收间隔的调整。作为一种优选实施例，所述脉冲调制模块2优选采用复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）生成所需要的脉冲信号。

本实施例在光发射单元中设置有驱动电路、LED光源和准直光路等主要组成部分。其中，驱动电路接收电源模块输出的工作电源VCC1，进而驱动LED光源发射遥感光束。作为一种优选实施例，所述驱动电路优选采用恒流源，为LED光源提供电流稳定的工作电源，以提高LED光源的光能量并稳定光信号。同时，利用脉冲调制模块输出的脉冲信号对恒流源进行使能控制，即，将脉冲调制模块输出脉冲信号作为使能信号传输至恒流源的使能端，以控制恒流源在脉冲信号处于高电平或低电平时使能运行，驱动LED光源发射光束，进而形成脉冲光束。

在本实施例中，所述LED光源设置有两路，如图2中的LED1、LED2，用于发射不同波长的脉冲光束，例如分别发射波长为455nm和940nm的脉冲光束。针对两路LED光源LED1、LED2，可以设置一路恒流源统一驱动，亦可以设置两路恒流源3、4分别驱动。

对于两路LED光源LED1、LED2，本实施例设计两路准直光路对LED光源LED1、LED2发射的光束进行准直，以形成两路平行光束后，射向待测大气。

作为一种优选实施例，针对每一路准直光路分别设计两级准直，第一级准直采用全内反射准直镜5、6，如图2所示，第二级准直采用菲涅尔准直镜7、8。具体而言，可以将两路LED光源LED1、LED2分别布置于两个全内反射准直镜5、6，利用全内反射准直镜5、6将LED光源LED1、LED2发射到四面八方的光线汇聚，形成平行光束发射到菲涅尔准直镜7、8，经菲涅尔准直镜7、8再次准直后，发射到待测大气。

发射到待测大气的平行光束在遇到气溶胶后，形成后向散射光，利用气溶胶探测仪中的光接收单元采集所述后向散射光，以用于大气气溶胶后向散射系数的计算。

在本实施例中，光接收单元主要包括接收镜头和分光镜组件等组成部分，结合图1、图2所示。其中，接收镜头用于采集后向散射光，并准直成平行光束后，射向分光镜组件，以分离出其中波长为455nm和940nm的两组光束，汇聚到信号采集处理单元。

作为一种优选实施例，在所述接收镜头中优选设置有两路准直透镜9、11和一路聚焦透镜10，如图2所示。其中一路准直透镜9作为前准直透镜，采集大气气溶胶的后向散射光，并准直为平行光束后，发射到聚焦透镜10进行汇聚。所述聚焦透镜10为短焦透镜，将平行光束汇聚后射向另外一路准直透镜11，即，后准直透镜，经后准直透镜11准直变成更加聚集的平行光束后，射入分光镜组件。

在所述分光镜组件中设置有一路二向色镜12以及两路窄带滤光片13、14和两路聚焦透镜17、18，如图2所示。其中，二向色镜12采集后准直透镜11发出的平行光束，并从中分离出两路不同波段的光束，例如波段为400nm~633nm的光束和波段为685nm~1600nm的光束。将两路不同波段的光束分开，一路射向第一窄带滤光片13，另一路射向第二窄带滤光片14。在本实施例，所述第一窄带滤光片13优选中心波长为455nm、透光率在90%以上的滤光片，以从波段为400nm~633nm的光束中分离出波长为455nm的光束，射向聚焦透镜15，进而汇聚到信号采集处理单元中的第一光电探测器17。所述第二窄带滤光片14优选中心波长为940nm、透光率在90%以上的滤光片，以从波段为685nm~1600nm的光束中分离出波长为940nm的光束，射向聚焦透镜16，进而汇聚到信号采集处理单元中的第二光电探测器18。

本实施例在信号采集处理单元中，除了设置有第一光电探测器17和第二光电探测器18外，还设置有信号处理电路19。作为一种优选实施例，所述信号处理电路19可以包括信号放大电路、信号采集电路、数据存储电路和数据传输电路等主要组成部分。其中，第一光电探测器17和第二光电探测器18通过其使能端接收脉宽调制模块输出的脉冲信号，在脉冲信号为高电平（或低电平）时使能运行，对接收到的两束光线进行光电转换，以生成两路电信号发送至信号放大电路，通过信号放大电路进行并行放大处理后，传输至信号采集电路，利用信号采集电路中的两路模数转换器ADC并行采样并转换成数字信号后，发送至数据存储电路进行数据存储，并可通过数据传输电路对外传输，例如传输至外部的上位机，在上位机中利用现有算法计算出大气气溶胶的后向散射光系数。

当然，本实施例也可以在信号处理电路19中设置处理器，接收信号采集电路输出的数字信号，并在处理器中预置现有算法，以计算出大气气溶胶的后向散射光系数，然后将计算结果发送至数据存储电路进行存储，并通过数据传输电路发送至外部的上位机，继而提供给技术人员，以用于大气气溶胶的时空分布和光学特性的分析研究。

本实施例的气溶胶探测仪结构简单、体积小、重量轻，适合搭载在无人机上，实现近地面大气气溶胶的原位测量。为了提高气溶胶探测仪在无人机上搭载的可靠性，优选在无人机的机身上根据探测仪的外壳形状设置与之相适配的搭载平台，以实现探测仪在无人机上的可靠安装与固定。

在一些实施例中，还可以在气溶胶探测仪的外壳中封装散热模块，用于快速传导电源模块、脉冲调制模块和恒流源在工作过程中产生的热量，以确保探测仪工作的稳定性。此外，在气溶胶探测仪的外壳中还可以进一步封装泡沫，以起到防震作用。

当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前能够提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种小型气溶胶探测仪，包括外壳以及封装在外壳中的供电单元、光发射单元、光接收单元和信号采集处理单元；其特征在于，

所述供电单元包括：

电源模块，其生成若干路工作电源，为所述光发射单元和信号采集处理单元供电；

脉冲调制模块，其生成脉冲信号，用于调节所述光发射单元的光发射间隔以及所述信号采集处理单元的光信号接收间隔；

所述光发射单元包括：

LED光源，其包括两路，分别发射不同波长的光束；

驱动电路，其接收所述脉冲信号，驱动所述LED光源发射脉冲光束；

准直光路，其用于将所述脉冲光束调整为平行光束，发射至待测大气；

所述光接收单元包括：

接收镜头，其用于接收所述光发射单元发射到大气中的平行光束在遇到气溶胶后形成的后向散射光；

分光镜组件，其用于从所述接收镜头采集到的后向散射光中分离出两路不同波长的目标光束，两路目标光束的波长与两路所述LED光源发射的光束的波长相同；

所述信号采集处理单元包括：

光电探测器，其包括两路，分别接收所述分光镜组件输出的两路目标光束，并转换成相应的电信号；

信号处理电路，其采集所述光电探测器输出的电信号，并处理成数字信号后存储并对外传输。

2.根据权利要求1所述的小型气溶胶探测仪，其特征在于，在所述驱动电路中设置有恒流源，输出恒定电流驱动所述LED光源稳定发光。

3.根据权利要求2所述的小型气溶胶探测仪，其特征在于，所述脉冲调制模块输出脉冲信号至所述恒流源和光电探测器的使能端，通过控制所述恒流源和光电探测器使能运行，以调节所述LED光源的光发射间隔以及所述光电探测器的光信号接收间隔。

4.根据权利要求1所述的小型气溶胶探测仪，其特征在于，所述准直光路包括：

全内反射准直镜，其包括两个，每一个全内反射准直镜的内部分别安装有一个所述LED光源；

菲涅尔准直镜，其包括两个，分别对应接收由两个所述全内反射准直镜准直发出的光束，并进行二级准直后，发射至待测大气。

5.根据权利要求1所述的小型气溶胶探测仪，其特征在于，所述接收镜头包括：

前准直透镜，其接收所述光发射单元发射到大气中的平行光束在遇到气溶胶后形成的后向散射光，并调整成平行光；

聚焦透镜，其对所述前准直透镜发出的平行光进行汇聚；

后准直透镜，其对通过所述聚焦透镜汇聚后的光束进行准直，以调整成汇聚后的平行光束。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的小型气溶胶探测仪，其特征在于，所述分光镜组件包括：

二向色镜，其从所述接收镜头输出的光束中分离出两路不同波段的光束；

第一窄带滤光片，其接收所述二向色镜分离出的其中一路光束，并过滤出与其中一路LED光源发射的光束相同波长的目标光束；

第二窄带滤光片，其接收所述二向色镜分离出的另外一路光束，并过滤出与另外一路LED光源发射的光束相同波长的目标光束；

聚焦透镜，其包括两个，分别对所述第一窄带滤光片和第二窄带滤光片发出的目标光束进行汇聚后，一一对应地入射至两路所述光电探测器。

7.根据权利要求6所述的小型气溶胶探测仪，其特征在于，

两路所述LED光源发射的光束的波长分别为455nm、940nm；

所述二向色镜分离出的两路光束的波段分别为400nm~633nm、685nm~1600nm；

所述第一窄带滤光片的中心波长为455nm，透光率90%以上；

所述第二窄带滤光片的中心波长为940nm，透光率90%以上。

8.根据权利要求1所述的小型气溶胶探测仪，其特征在于，所述信号处理电路包括：

信号放大电路，其接收两路所述光电探测器输出的电信号，进行并行放大处理；

信号采集电路，其并行采集所述信号放大电路输出的两路电信号，并转换成数字信号；

数据存储电路，其接收所述信号采集电路输出的数字信号并进行数据存储；

数据传输电路，其用于将所述数据存储电路存储的数据发送至外部的上位机。

9.一种近地面大气气溶胶探测装置，其特征在于，包括：

无人机，其机身上设置有搭载台；

如权利要求1至8中任一项所述的小型气溶胶探测仪，其安装在所述无人机的搭载台上。

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