CN219641927U - 一种基于雷达的大气环境质量监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于雷达的大气环境质量监测系统，其中信号发生器输出端连接激光器、扫描转台，激光器输出端连接扫描转台，扫描转台输出端连接望远镜，望远镜安装在扫描转台上，望远镜输出端连接光电倍增管、第一单光子计数器、第二单光子计数器，光电倍增管、第一单光子计数器、第二单光子计数器输出端分别连接ADC模块、第一比较器、第二比较器，ADC模块、第一比较器、第二比较器输出端连接FPGA模块，FPGA模块输出端连接DAC模块、上位机，DAC模块输出端还连接第一比较器、第二比较器。本实用新型实现多目标探测，连续获得大气成分光学特性和目标测绘信息。可以获得信号很高的精度，进而获得良好的时空分辨率。

Description

一种基于雷达的大气环境质量监测系统

技术领域：

本实用新型涉及大气环境质量监测技术领域，尤其涉及一种基于雷达的大气环境质量监测系统。

背景技术：

在大气环境研究领域，对主要大气污染物-气溶胶颗粒、二氧化硫、臭氧和二氧化氮的监测是非常重要的。传统微波雷达发射波波长较长，不适合对体积较小的气溶胶和气体分子进行监测，激光雷达的出现有效弥补了微波雷达的不足。由于激光雷达发射的激光束波长很短，气溶胶颗粒和气体分子可对其产生Mie弹性散射，通过差分吸收(DIAL)测量技术，即通过同一光路同时发射两束波长相近的激光束，其波长分别位于待测气体的吸收峰的中央和边翼，观测两束激光回波信号的不同衰减，就可以有效判断大气污染物的空间分布。

大气探测激光雷达的原理是发射一束准直激光到大气中，激光脉冲与大气中的气溶胶粒子、大气分子和原子发生相互作用，望远镜收集回波信号，将该信号输入到反演算法中，可以获取到大气成分相关信息。脉冲式测绘激光雷达在固定发射频率下，雷达发射系统发射激光脉冲，经目标发射后由接收系统接收，根据激光发射和接收时间的精确计算确定目标距离、形状、高度等信息。

但目前的大气探测激光雷达只具备单一的功能，只能对单一的目标进行测量。其次，数据采集采用通用数据采集卡和工控机实现，集成度低，成本较高，且通用数据采集卡为非专用设备，往往很多功能不能满足激光雷达数据采集的需求。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种基于雷达的大气环境质量监测系统，以解决现有技术的不足。

本实用新型由如下技术方案实施：一种基于雷达的大气环境质量监测系统，包括信号发生器、激光器、扫描转台、望远镜、光电倍增管、第一单光子计数器、第二单光子计数器、ADC模块、第一比较器、第二比较器、DAC模块、上位机、FPGA模块，所述信号发生器输出端连接激光器、扫描转台，所述激光器输出端连接扫描转台，所述扫描转台输出端连接望远镜，所述望远镜安装在扫描转台上，所述望远镜用于将所述脉冲光信号发射到大气，并接收所述脉冲光信号在大气中的回波信号，所述望远镜输出端连接光电倍增管、第一单光子计数器、第二单光子计数器，所述光电倍增管、第一单光子计数器、第二单光子计数器输出端分别连接ADC模块、第一比较器、第二比较器，所述ADC模块、第一比较器、第二比较器输出端连接FPGA模块，所述FPGA模块输出端连接DAC模块、上位机，所述DAC模块输出端还连接第一比较器、第二比较器。

进一步的，所述激光器为光纤激光器。

进一步的，所述望远镜采用收发分置望远镜。

进一步的，所述扫描转台包括镜筒支架、转向器、转向盘、底部支撑架、转台支架，所述底部支撑架上部安装转台支架，所述转台支架顶部设置转向器，所述转向器上部设置转向盘，所述转向盘上部安装镜筒支架，所述镜筒支架上部安装望远镜。

进一步的，所述第一比较器、第二比较器为基于运算放大器的比较器。

进一步的，所述转向器包括脉冲处理电路、控制器、转速控制电路，所述脉冲处理电路、控制器、转速控制电路依次连接。

本实用新型的优点：

1、本实用新型通过控制扫描转台高低速转动，实现不同监测模式，实现多目标探测，连续获得大气成分光学特性和目标测绘信息。

2、本实用新型采取了光电倍增管和单光子计数器协同工作的方案，由光电倍增管记录前半段较强的信号，由单光子计数器记录后半段较弱的信号，这样相结合之下，可以获得信号很高的精度，进而获得良好的时空分辨率。

附图说明：

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅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为本实用新型实施例的的原理框图；

图2为本实用新型实施例的信号发生和回波监测部分结构示意图；

图3为本实用新型的实施例的转向器原理框图；

图4为本实用新型的脉冲处理电路电路原理图；

图5为本实用新型的转速控制电路电路原理图。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。

如图1所示，一种基于雷达的大气环境质量监测系统，包括信号发生器1、激光器2、扫描转台3、望远镜4、光电倍增管5、第一单光子计数器6、第二单光子计数器7、ADC模块8、第一比较器9、第二比较器10、DAC模块11、上位机12、FPGA模块13，信号发生器1输出端连接激光器2、扫描转台3，激光器2输出端连接扫描转台3，扫描转台3输出端连接望远镜4，望远镜4安装在扫描转台3上，望远镜用于将脉冲光信号发射到大气，并接收脉冲光信号在大气中的回波信号，望远镜4输出端连接光电倍增管5、第一单光子计数器6、第二单光子计数器7，光电倍增管5、第一单光子计数器6、第二单光子计数器7输出端分别连接ADC模块8、第一比较器9、第二比较器10，ADC模块8、第一比较器9、第二比较器10输出端连接FPGA模块13，FPGA模块13输出端连接DAC模块11、上位机12，DAC模块11输出端还连接第一比较器9、第二比较器10。

其中，激光器2为光纤激光器，激光器根据电脉冲序列调制后产生不同重复频率的光信号，经望远镜准直出射到大气中。

望远镜4采用收发分置望远镜。望远镜安装在扫描转台上，望远镜的转动速度与扫描转台的转动速度相同。望远镜连接在扫描转台上，经调制后的脉冲光信号进入望远镜，望远镜通过扫描转台将脉冲光信号范围性发射到大气，并接收脉冲光信号在大气中的回波信号。

如图2所示，扫描转台3包括镜筒支架31、转向器32、转向盘33、底部支撑架34、转台支架35，底部支撑架34上部安装转台支架35，转台支架35顶部设置转向器32，转向器32上部设置转向盘33，转向盘33上部安装镜筒支架31，镜筒支架31上部安装望远镜4。

如图3所示，转向器32包括脉冲处理电路321、控制器322、转速控制电路323，脉冲处理电路321、控制器322、转速控制电路323依次连接。其中：

如图4所示，脉冲处理电路321主要作用是放大整形，由晶体管和其他电子元件组成，放大输入频率信号，包括三角波、方波和正弦波。放大后，通过触发器整形对输出波形频率信号进行处理，输出矩形脉冲信号。控制器322采用单片机处理器，比如AT89C51。

如图5所示，为转速控制电路323，控制器322输出不同占空比的控制信号到开关管Q1的栅极，就可以实现电机M的不同转速控制。

另外，第一比较器9、第二比较器10为基于运算放大器的比较器，具体型号不限。ADC模块8、DAC模块11、FPGA模块13具体型号不限。

本系统结构框图如图1所示，系统的工作流程如下：信号发生器产生的两路电脉冲序列可以为两路相同输出的电脉冲序列，其中一路用于控制激光器出射的脉冲光信号的重复频率，另外一路经扫描转台识别后，根据电脉冲序列的频率调整扫描转台的转动速度。通过信号发生器发出两路的电脉冲序列，当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为1Hz～100KHz范围内的脉冲光信号时，扫描转台低速转动，此状态为大气探测模式；可探测气溶胶光学特性，反演大气气溶胶特性，大气成分特性、大气边界层、能见度等参数，实现多参数光学测量。当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为10KHz～100MHz范围内的脉冲光信号时，扫描转台高速转动，此状态为目标测绘模式，可以探测测绘到的地物地貌的特征信息，对测绘目标的距离、形状、高度进行判断。在两种扫描模式下实现多目标探测，连续获得大气成分光学特性和目标测绘信息。

同时，系统由同步信号触发后，ADC对光电倍增管信号进行采样，采集到的数据送入FPGA，同时单光子计数器脉冲信号经比较器甄别后输入FPGA，FPGA内部有计数器对脉冲信号进行计数。FPGA将采集到的数据暂存在内部存储器中，待一次采集过程完成之后，将数据通过USB接口上传到上位机进行分析处理。

目前，激光雷达系统通常采用光电倍增管和单光子计数器把回波信号转换为电信号。这两种光电转换设备各有其优劣之处；光电倍增管适用于对较强激光回波的测量，而在回波较弱时将无法将其与背景噪声分辨开来。单光子计数器主要用于对较弱激光回波的测量，在回波信号较强时将过饱和而无法正常工作。

为了结合光电倍增管和单光子计数器的优点，本实用新型激光雷达与本系统连接有五路信号:一路同步信号，两路光电倍增管输出信号，两路单光子计数器输出信号。同步信号是方波信号，其中低电平表示雷达正在工作，高电平表示雷达停止工作。采取了二者协同工作的方案:由光电倍增管记录前半段较强的信号，由单光子计数器记录后半段较弱的信号，这样相结合之下，可以获得信号很高的精度，进而获得良好的时空分辨率。

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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于雷达的大气环境质量监测系统，其特征在于，包括信号发生器(1)、激光器(2)、扫描转台(3)、望远镜(4)、光电倍增管(5)、第一单光子计数器(6)、第二单光子计数器(7)、ADC模块(8)、第一比较器(9)、第二比较器(10)、DAC模块(11)、上位机(12)、FPGA模块(13)，所述信号发生器(1)输出端连接激光器(2)、扫描转台(3)，所述激光器(2)输出端连接扫描转台(3)，所述扫描转台(3)输出端连接望远镜(4)，所述望远镜(4)安装在扫描转台(3)上，所述望远镜用于将脉冲光信号发射到大气，并接收所述脉冲光信号在大气中的回波信号，所述望远镜(4)输出端连接光电倍增管(5)、第一单光子计数器(6)、第二单光子计数器(7)，所述光电倍增管(5)、第一单光子计数器(6)、第二单光子计数器(7)输出端分别连接ADC模块(8)、第一比较器(9)、第二比较器(10)，所述ADC模块(8)、第一比较器(9)、第二比较器(10)输出端连接FPGA模块(13)，所述FPGA模块(13)输出端连接DAC模块(11)、上位机(12)，所述DAC模块(11)输出端还连接第一比较器(9)、第二比较器(10)。

2.根据权利要求1所述的一种基于雷达的大气环境质量监测系统，其特征在于，所述激光器(2)为光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于雷达的大气环境质量监测系统，其特征在于，所述望远镜(4)采用收发分置望远镜。

4.根据权利要求1所述的一种基于雷达的大气环境质量监测系统，其特征在于，所述扫描转台(3)包括镜筒支架(31)、转向器(32)、转向盘(33)、底部支撑架(34)、转台支架(35)，所述底部支撑架(34)上部安装转台支架(35)，所述转台支架(35)顶部设置转向器(32)，所述转向器(32)上部设置转向盘(33)，所述转向盘(33)上部安装镜筒支架(31)，所述镜筒支架(31)上部安装望远镜(4)。

5.根据权利要求1所述的一种基于雷达的大气环境质量监测系统，其特征在于，所述第一比较器(9)、第二比较器(10)为基于运算放大器的比较器。

6.根据权利要求4所述的一种基于雷达的大气环境质量监测系统，其特征在于，所述转向器(32)包括脉冲处理电路(321)、控制器(322)、转速控制电路(323)，所述脉冲处理电路(321)、控制器(322)、转速控制电路(323)依次连接。