CN215769001U - 一种小型大气气溶胶激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种小型大气气溶胶激光雷达系统，包括激光发射模块、光学接收模块、数据采集模块、控制模块、整机框架、自清洁观测天窗、户外空调与外壳；激光发射模块、光学接收模块、数据采集模块与控制模块固定在整机框架上；激光发射模块包括脉冲激光器、激光器散热底座、激光器电源、激光器电源散热底座、扩束镜、第一反射镜与第二反射镜；光学接收单元包括望远镜、小孔光阑、准直透镜、窄带干涉滤光片、偏振分光棱镜、聚焦透镜、光电倍增管；本实用新型可在户外对大气溶胶后向散射系数、消光系数、退偏比的垂直廓线及其时空分布进行长期业务化观测，结构简单、体积小、重量轻、功耗低、移动携带方便，自动化程度高，可长期无人值守观测。

Description

一种小型大气气溶胶激光雷达系统

技术领域

本实用新型属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种应用于大气气溶胶自动化、全天时、业务化探测的小型大气气溶胶激光雷达系统。

背景技术

气溶胶是悬浮在大气中的固体或液体小颗粒。在城市化进程中，随着城市规模的扩张和城市人口的增加，导致空气中气溶胶粒子急剧增加，大气污染问题日益突出。从环境监测的实际需求来看，实时监测城市近地面气溶胶日益受到人们的关注。

目前，常用的大气气溶胶观测设备主要是利用空气质量监测仪或太阳光度计，空气质量监测仪只能给出固定位置近地面气溶胶的质量浓度数据，而太阳光度计主要应用在白天整层大气气溶胶数据的获取，两种观测手段的主要缺点是时空代表性较差。然而，城市区域内近地面气溶胶的来源途径多、分布变化快、区域差异大，有限位置的监测数据不能全面反映区域内的气溶胶分布。激光雷达作为一种主动式的遥感监测设备，在气溶胶探测方面具有高时空分辨率、大测量范围、高测量精度等优势，可实时获得气溶胶的剖面数据，是实时连续监测大气气溶胶和云的光学特性参数以及微物理特性参数的有力工具，为气溶胶的分布特征、时空变化特征和输送路径研究以及城市气溶胶污染的防控提供有效的数据支持，具有较高的应用价值。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可无人值守自动业务化观测的小型大气气溶胶激光雷达系统，实现对大气气溶胶时空分布特征、光学特性、偏振特性的实时观测，可灵活应用于地基、船载、车载等实验平台，为大气气溶胶观测研究提供一种可靠的观测手段。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种小型大气气溶胶激光雷达系统包括激光发射模块、光学接收模块、数据采集模块、控制模块、整机框架、自清洁观测天窗、户外空调与外壳；

所述激光发射模块、光学接收模块、数据采集模块与控制模块固定在整机框架上；

所述整机框架套装在所述外壳内，并通过螺栓固定在所述外壳内；

所述激光发射模块包括脉冲激光器、激光器散热底座、激光器电源、激光器电源散热底座、扩束镜、第一反射镜与第二反射镜；

所述光学接收单元由望远镜、小孔光阑、准直透镜、窄带干涉滤光片、偏振分光棱镜、聚焦透镜、光电倍增管组成；

所述数据采集模块包括同步触发器、数据采集器；

所述控制模块包括工控机、显示器、电路控制系统，电路控制系统包括总电源的控制单元、激光器电源控制单元、双接收光路通道电源控制单元和自清洁观测天窗电路控制单元。

进一步地，所用的激光器发射脉冲激光，出射激光通过所述扩束镜后，经所述第一反射镜反射到所述第二反射镜，由所述第二反射镜反射后通过所述自清洁观测天窗发射到大气中；所述第二反射镜采用电控反射镜，可通过所述控制模块对第二反射镜的出光方向进行二维的电动调节。

进一步地，所述望远镜接收激光与大气作用的后向散射信号，经过所述小孔光阑后压缩背景光后由所述准直透镜进行准直，入射到所述偏振分光棱镜将信号分为平行偏振分量与垂直偏振分量，分别进入两个接收通道，每个通道都由所述聚焦透镜将信号会聚到所述光电倍增管上，将光信号转换成电信号后，由所述数据采集模块接收。

进一步地，所述小孔光阑采用电动光阑，位于望远镜的焦点位置，所述小孔光阑的开合程度由所述的控制模块控制。

进一步地，所述同步触发器接收1％～5％的出射光能量的一部分发射激光，将接收到的光信号转为所述数据采集模块的触发电信号，以实现同步触发；所述数据采集器安装在工控机上，对光电倍增管输出的信号进行模数转换采集和数据存储，将采集的数据存储在所述工控机上，并由软件实时显示在所述显示器上。

进一步地，所述小孔光阑通过信号线连接在所述工控机上，由所述工控机发送指令控制所述小孔光阑的孔径大小。

进一步地，所述外壳设置有前门与后门，所述前门打开后可进行所述激光发射模块的调节与维护，所述后门打开后可进行所述数据采集和控制模块的观察与操作；所述前门、后门均打开后，可将整机框架从所述外壳中取出或安装。

进一步地，所述的外壳顶部设置有自清洁观测天窗，所述的自清洁观测天窗由观测天窗和吹风装置组成。

进一步地，所述观测窗口包括激光发射窗口与光学接收窗口，所述观测窗口与所述外壳顶部呈一定角度放置，减小雨水与灰尘的堆积；所述吹风装置由所述控制模块控制，定期对天窗进行吹风清洁。

进一步地，所述外壳背面安装所述户外空调，通过RS232信号线与所述工控机连接，通过工控机进行空调的设置与状态监视，或通过远程端对空调进行控制与状态监视。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的大气气溶胶激光雷达可在户外对大气溶胶后向散射系数、消光系数、退偏比的垂直廓线及其时空分布进行长期业务化观测，其结构简单、体积小、重量轻、功耗低、移动携带方便，且自动化程度高，可实现远程系统维护与调试，可应用在地基、船载与车载等实验平台对大气气溶胶进行长期无人值守观测。

附图说明

图1是本实用新型的一种实施例的结构示意图；

图2是图1中光路系统的结构示意图；

图3是图1中大气气溶胶激光雷达系统的控制框图；

图4是图1的大气气溶胶激光雷达整机示意图。

其中，1-脉冲激光器、2-激光器散热底座、3-激光器电源、4-激光器电源散热底座、5-扩束镜、6-第一反射镜、7-第二反射镜、8-光学平板、9-望远镜、10- 小孔光阑、11-准直透镜、12-窄带干涉滤波片、13-偏振分光棱镜、14聚焦透镜、15/16-光电倍增管、17-工控机、18-显示器、19-控制模块、20-温湿度记录仪、21-自清洁观测天窗、22-前侧板、23-后侧板、24-前门、25-后门、26- 上盖板、27-底板、28-激光发射窗口、29-光学接收窗口、30-吹风装置、32- 户外空调、33-脚轮。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明，但不以任何方式对本实用新型加以限制，基于本实用新型教导所作的任何变换或替换，均属于本实用新型的保护范围。

本实施例的小型大气气溶胶激光雷达系统为了能够实现无人值守的自动化、业务化观测，进行以下结构设计。

激光雷达系统包括激光发射模块、光学接收模块、数据采集模块、控制模块、整机框架、自清洁观测天窗、户外空调与外壳。

如图1所示，所述激光发射模块主要包括脉冲激光器1、激光器散热底座2、激光器电源3、激光器电源散热底座4、扩束镜5、第一反射镜6、第二反射镜7和光学平板8。

激光器1与激光器电源3分别通过激光器散热片底座2、激光器电源散热片底座4与光学平板8固定连接，光学平板8竖直固定在所述整机框架上。

如图2和图4所示，所用的激光器1发射脉冲激光，出射激光通过所述扩束镜5后，经所述第一反射镜6反射到所述第二反射镜7，由所述第二反射镜7反射后经由所述观测天窗21的激光发射窗口28垂直射向大气。所述第二反射镜7采用电控反射镜，可通过所述控制模块19对第二反射镜7的出光方向进行二维的电动调节，方便工作人员远程对发射光路进行调节与优化。

在所述光学接收模块中设置有望远镜9、小孔光阑10、准直透镜11、窄带干涉滤波片12、偏振分光棱镜13、聚焦透镜14、光电倍增管15/16，如图2 所示。所述光学接收模块与激光发射模块分别固定在所述光学平板8的两侧，使光学系统集成为一个整体，以减弱外界震动对光路的影响。如图1所示。

激光与大气相互作用的后向散射光通过观测天窗21的光学接收窗口29经由光学接收模块接收并转换成电信号后，由所述的数据采集模块进行采集和存储。具体来说，后向散射光信号进入光学接收模块，首先由望远镜9接收，通过小孔光阑10后由准直透镜11进行准直，然后经过窄带干涉滤光片12滤除杂散光后，通过偏振分光棱镜13将两个不同偏振方向的光信号分开，分别通过聚焦透镜14会聚到光电倍增管15/16，由光电倍增管15/16进行光电转换后，由所述数据采集模块的数据采集器进行采集。所述数据采集器安装在所述工控机17上，信号通过显示器18进行实时显示。

小孔光阑10采用电控小孔光阑，设置在所述望远镜9的焦点位置，由所述的控制模块19进行控制小孔光阑10孔径的大小。

所述电控模块主要包括工控机17、显示器18和电路控制系统组成。工控机17装有数据采集器，光电倍增管15/16将接收的光信号转换为电信号，通过数据采集器记录并存储到所述工控机17上，最终由软件实时显示在所述显示器18上。

如图3所示，控制模块19主要对第二反射镜7、小孔光阑10、温湿度记录仪20、自清洁观测天窗21进行控制和信号反馈。所述控制模块19主要通过安装在工控机17中的软件实现控制功能。所述工控机17通过接口分别与第二反射镜7、小孔光阑10、温湿度记录仪20、自清洁观测天窗21连接，所述控制模块19通过软件发送或接收指令实现控制功能。

具体来讲，在光路调节中，控制模块19通过发送指令控制第二反射镜7 的二维方向，达到调整发射激光方向的目的。控制模块19通过发送指令对小孔光阑10的孔径进行电动调节，以优化激光雷达系统信号，同时小孔光阑10 反馈指令，由控制模块记录此时小孔光阑10的孔径大小。控制模块19可读取温湿度记录仪20的温湿度数据，让工作人员实时掌握激光雷达的工作环境参数。所述控制模块19可以发送指令控制户外空调32进行温度的设置。当大气气溶胶激光雷达内温湿度超出或低于所设定的温湿度范围时，控制模块 19发出报警信号，并自动控制户外空调32的温度值和风机转速，以使激光雷达处于最佳工作环境中。

由于所述大气气溶胶激光雷达长期处于户外工作，所述外壳采用不锈钢材质喷塑处理，起到防潮、防盐雾的作用，内部含保温层，以起到保温、阻燃、延长耐久性的作用。提高其外场长期工作的耐用性。所述外壳设置有前门24与后门25，所述前门24打开后可进行所述激光发射模块的调节与维护，所述后门25打开后可进行所述数据采集模块和控制模块的观察与操作。所述前门24与后门25均打开后，可方便将整机框架从所述外壳中取出或安装，为激光雷达系统维护升级、故障排查或应用拓展提供便利。如图4所示。前侧板22和后侧板23固定在外壳上，不能轻易打开。其中所述户外空调32固定安装在所述后侧板23上。

激光雷达外壳顶部安装自清洁观测天窗，主要由观测天窗21、吹风装置 30组成。所述观测天窗21主要包括激光发射窗口28与光学接收窗口29，均安装高透过率石英玻璃。所述观测天窗21与所述外壳顶部呈一定角度放置，可有效减小雨水与灰尘的堆积。所述吹风装置30由所述控制模块控制，定期对天窗进行吹风清洁，实现观测天窗的自动清洁。

为了便于激光雷达运输，在外壳底部安装有四个脚轮33。

在本实施例中，所述工控机17中设置无线网络模块，以便于远程端通过网络对激光雷达系统进行控制，继而降低在船上等实验平台现场操作的风险。所述显示器18优选采用触摸显示器，以增加户外环境下现场工作的便利性。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的大气气溶胶激光雷达可在户外对大气溶胶后向散射系数、消光系数、退偏比的垂直廓线及其时空分布进行长期业务化观测，其结构简单、体积小、重量轻、功耗低、移动携带方便，且自动化程度高，可实现远程系统维护与调试，可应用在地基、船载与车载等实验平台对大气气溶胶进行长期无人值守观测。

上述实施例为本实用新型的一种实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本实用新型的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，包括激光发射模块、光学接收模块、数据采集模块、控制模块、整机框架、自清洁观测天窗、户外空调与外壳；

所述激光发射模块、光学接收模块、数据采集模块与控制模块固定在整机框架上；

所述整机框架套装在所述外壳内，并通过螺栓固定在所述外壳内；

所述激光发射模块包括脉冲激光器、激光器散热底座、激光器电源、激光器电源散热底座、扩束镜、第一反射镜与第二反射镜；

所述光学接收单元由望远镜、小孔光阑、准直透镜、窄带干涉滤光片、偏振分光棱镜、聚焦透镜、光电倍增管组成；

所述数据采集模块包括同步触发器、数据采集器；

所述控制模块包括工控机、显示器、电路控制系统，所述电路控制系统包括总电源的控制单元、激光器电源控制单元、双接收光路通道电源控制单元和自清洁观测天窗电路控制单元。

2.根据权利要求1所述的小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所用的激光器发射脉冲激光，出射激光通过所述扩束镜后，经所述第一反射镜反射到所述第二反射镜，由所述第二反射镜反射后通过所述自清洁观测天窗发射到大气中；

所述第二反射镜采用电控反射镜，可通过所述控制模块对第二反射镜的出光方向进行二维的电动调节。

3.根据权利要求1所述的小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述望远镜接收激光与大气作用的后向散射信号，经过所述小孔光阑后压缩背景光后由所述准直透镜进行准直，入射到所述偏振分光棱镜将信号分为平行偏振分量与垂直偏振分量，分别进入两个接收通道，每个通道都由所述聚焦透镜将信号会聚到所述光电倍增管上，将光信号转换成电信号后，由所述数据采集模块接收。

4.根据权利要求1所述的小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述小孔光阑采用电动光阑，位于望远镜的焦点位置，所述小孔光阑的开合程度由所述的控制模块控制。

5.根据权利要求1所述的小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述同步触发器接收1％～5％的出射光能量的一部分发射激光，将接收到的光信号转为所述数据采集模块的触发电信号，以实现同步触发；所述数据采集器安装在工控机上，对光电倍增管输出的信号进行模数转换采集和数据存储，将采集的数据存储在所述工控机上，并由软件实时显示在所述显示器上。

6.根据权利要求1所述的小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述小孔光阑通过信号线连接在所述工控机上，由所述工控机发送指令控制所述小孔光阑的孔径大小。

7.根据权利要求1所述的小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述外壳设置有前门与后门，所述前门打开后可进行所述激光发射模块的调节与维护，所述后门打开后可进行所述数据采集和控制模块的观察与操作；所述前门、后门均打开后，可将整机框架从所述外壳中取出或安装。

8.根据权利要求1所述的小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述的外壳顶部设置有自清洁观测天窗，所述的自清洁观测天窗由观测天窗和吹风装置组成。

9.根据权利要求8所述的小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述观测天窗包括激光发射窗口与光学接收窗口，所述观测天窗与所述外壳顶部呈一定角度放置，减小雨水与灰尘的堆积；所述吹风装置由所述控制模块控制，定期对天窗进行吹风清洁。

10.根据权利要求1所述的小型大气气溶胶激光雷达系统，其特征在于，所述外壳背面安装所述户外空调，通过RS232信号线与所述工控机连接，通过工控机进行空调的设置与状态监视，或通过远程端对空调进行控制与状态监视。

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