一種大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置的制作方法

本實用新型涉及激光雷達裝置，具體的說是一種大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置。

背景技術(shù)：

近年來，霧霾越來越嚴重，嚴重影響生活與出行，普通的地基在線監(jiān)測設(shè)備只能獲得幾百米以下的數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)1km以上的探空，大氣顆粒物激光雷達彌補了這一缺陷，可以探測距離地面100m-30km的大氣顆粒物分布狀況，定性分析其時空演變特征。

目前大氣顆粒物監(jiān)測激光雷達主要分為兩類，高能激光雷達和微脈沖激光雷達，高能激光雷達單脈沖能量10mJ以上，重復頻率50Hz以下，能量大可以有效擊穿邊界層，符合重污染天氣下監(jiān)測要求；微脈沖激光雷達單脈沖能量100uJ以下，重復頻率1kHz以上，體積小、成本低，但是由于其能量低，在重污染天氣下無法獲得好的監(jiān)測數(shù)據(jù)。無論是高能激光雷達還是微脈沖激光雷達，由于平均功率低，都需要較長的時間獲得一條有效廓線數(shù)據(jù)，時間分辨率30s以上，無法滿足監(jiān)測車邊快速行駛邊觀測的要求，只能定點或者時速30km/h以下的時候使用，在高速公路上使用就有局限性。掃描雷達大多使用的是掃描架的方式，這種掃描方式無法避免線纜拖拽的問題，所以掃描范圍小，不能達到水平0-360度、垂直0-360度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服上述不足之處，從而提供一種大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置。本實用新型能夠定點垂直觀測、掃描觀測和斜程觀測，能夠走航垂直觀測和斜程觀測，能夠獲得大氣顆粒物的立體分布廓線，結(jié)合地理信息模塊區(qū)域掃描時能夠快速溯源，找到污染源位置，走航觀測能夠跟蹤污染團變化，監(jiān)測擴散趨勢，結(jié)合風場信息能夠計算輸送通量，為環(huán)保、氣象等部門進行業(yè)務(wù)支撐。

本實用新型是通過下述技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：

一種大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置，包括：光學發(fā)射裝置1、光學接收裝置2、掃描裝置3、信號采集與處理裝置4和拍照模塊5；

所述光學接收裝置2設(shè)置在光學發(fā)射裝置1的正前方，所述掃描裝置3設(shè)置在光學接收裝置2的前方，所述信號采集與處理裝置4連接在光學接收裝置2上；

所述拍照模塊5連接在信號采集與處理裝置4上。

優(yōu)先的，所述光學發(fā)射裝置1包括：激光器11和準直擴束鏡組12；

所述激光器11上固定有準直擴束鏡組12。

優(yōu)先的，所述光學接收裝置2包括：望遠鏡21和后繼光學模塊22；

所述后繼光學模塊22內(nèi)置于望遠鏡21中，所述望遠鏡21內(nèi)置有管狀部件211。

優(yōu)先的，所述掃描裝置3包括：光線入射通道31、一對掃描振鏡32、光線傳輸通道33、定位模塊34和光線出射通道35；

所述光線入射通道31設(shè)置在光學接收裝置2正上方，所述光線傳輸通道33傾斜的設(shè)置在光線入射通道31上方，所述一對掃描振鏡32平行的固定在光線傳輸通道33內(nèi)，所述光線出射通道35設(shè)置在光線傳輸通道33上方，所述定位模塊34設(shè)置在掃描裝置3內(nèi)。

優(yōu)先的，所述信號采集與處理裝置4包括：光電探測器41、信號放大模塊42、數(shù)據(jù)采集模塊43、數(shù)據(jù)處理模塊44、中央處理器45和地理信息模塊441；

所述光電探測器41、信號放大模塊42、數(shù)據(jù)采集模塊43和數(shù)據(jù)處理模塊44連接在中央處理器45上；所述數(shù)據(jù)處理模塊44上還連接有地理信息模塊441。

優(yōu)先的，還包括環(huán)境識別傳感器6，所述環(huán)境識別傳感器6連接在信號采集與處理裝置4上。

本實用新型的有益效果：能夠定點垂直觀測、掃描觀測和斜程觀測，能夠走航垂直觀測和斜程觀測，能夠獲得大氣顆粒物的立體分布廓線，結(jié)合地理信息模塊區(qū)域掃描時能夠快速溯源，找到污染源位置，走航觀測能夠跟蹤污染團變化，監(jiān)測擴散趨勢，結(jié)合風場信息能夠計算輸送通量，為環(huán)保、氣象等部門進行業(yè)務(wù)支撐。

附圖說明

圖1為本實用新型的大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型的大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置的光學發(fā)射裝置示意圖，圖中僅保留了激光器和擴束鏡結(jié)構(gòu)；

圖3為本實用新型的大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置的信號傳輸結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為本實用新型的大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置的信號采集與處理裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為本實用新型的大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置的實施例的夜晚和白天大氣后向散射回波信號的信噪比廓線 ；

圖中：

1- 光學發(fā)射裝置，11- 激光器，12- 準直擴束鏡組；

2- 光學接收裝置，21- 望遠鏡，211- 管狀部件，22- 后繼光學模塊；

3- 掃描裝置，31- 光線入射通道，32- 一對掃描振鏡，33- 光線傳輸通道，34- 定位模塊，35- 光線出射通道 ；

4- 信號采集與處理裝置，41- 光電探測器，42- 信號放大模塊，43- 數(shù)據(jù)采集模塊，44- 數(shù)據(jù)處理模塊，441- 地理信息模塊，45- 中央處理器；

5- 拍照模塊；

6- 環(huán)境識別傳感器。

具體實施方式

以下是本實用新型的具體實施例并結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案作進一步的描述，但本實用新型并不限于這些實例。

如圖1至5所示，一種大氣顆粒物走航觀測激光雷達裝置，包括：光學發(fā)射裝置1、光學接收裝置2、掃描裝置3、信號采集與處理裝置4和拍照模塊5；

所述光學接收裝置2設(shè)置在光學發(fā)射裝置1的正前方，所述掃描裝置3設(shè)置在光學接收裝置2的前方，所述信號采集與處理裝置4連接在光學接收裝置2上；

所述拍照模塊5連接在信號采集與處理裝置4上。

在本實施中優(yōu)選的，光學發(fā)射裝置1包括：激光器11和準直擴束鏡組12，所述激光器11上固定有準直擴束鏡組12；

激光器11采用單脈沖能量1mJ、重復頻率2kHz的激光雷達，能滿足重污染天氣下的探測，能量高可以更好的穿透污染層獲得高信噪比回波信號，頻率高可以在單位時間內(nèi)獲得更多數(shù)量的回波信號，平均后的信號質(zhì)量更高，且保證模塊時間分辨率不高于10s，滿足邊行駛邊觀測的要求，行駛速度可以達到60km/h以上。

在本實施中優(yōu)選的，光學接收裝置2包括：望遠鏡21和后繼光學模塊22；

所述后繼光學模塊22內(nèi)置于望遠鏡21中，所述望遠鏡21內(nèi)置有管狀部件211；

管狀部件211能夠?qū)l(fā)射的激光與接收的雷達后向散射信號隔離，減小雜散光干擾，提高信號信噪比。

在本實施中優(yōu)選的，掃描裝置3包括：光線入射通道31、一對掃描振鏡32、光線傳輸通道33、定位模塊34和光線出射通道35；

所述光線入射通道31設(shè)置在光學接收裝置2正上方，所述光線傳輸通道33傾斜的設(shè)置在光線入射通道31上方，所述一對掃描振鏡32平行的固定在光線傳輸通道33內(nèi)，所述光線出射通道35設(shè)置在光線傳輸通道33上方，所述定位模塊34設(shè)置在掃描裝置3內(nèi)；

掃描裝置3使用時與雷達主體分離，提高運行穩(wěn)定性，水平、垂直轉(zhuǎn)軸不受線纜影響，可以滿足水平0-360度、垂直0-360度的旋轉(zhuǎn)，屬于國內(nèi)大口徑掃描模塊首創(chuàng)，且自帶除塵刷、除濕裝置，自動進行維護；一對掃描振鏡32可以利用定位模塊34中經(jīng)緯度、角度信息進行自動旋轉(zhuǎn)，根據(jù)實際方位角自動調(diào)整探測方向并記錄；拍照模塊5可以和一對掃描振鏡32聯(lián)動拍照、攝像并實時保存圖像或者視頻數(shù)據(jù)，結(jié)合模塊反演結(jié)果可以更好的說明大氣顆粒物狀況。

在本實施中優(yōu)選的，信號采集與處理裝置4包括：光電探測器41、信號放大模塊42、數(shù)據(jù)采集模塊43、數(shù)據(jù)處理模塊44、中央處理器45和地理信息模塊441；

所述光電探測器41、信號放大模塊42、數(shù)據(jù)采集模塊43和數(shù)據(jù)處理模塊44連接在中央處理器45上；所述數(shù)據(jù)處理模塊44上還連接有地理信息模塊441；

信號采集與處理裝置4采用動態(tài)范圍96dB以上的數(shù)據(jù)采集板卡，空間分辨率7.5m，可以使反演的圖像更加細致；光電探測器41是指將接收的激光雷達后向散射信號由光信號轉(zhuǎn)換成電信號；地理信息模塊441結(jié)合定位模塊34中經(jīng)緯度信息，再疊加區(qū)域消光系數(shù)、退偏振比圖像，有利于提高地理信息的準確度。

在本實施中優(yōu)先的，還包括環(huán)境識別傳感器6，所述環(huán)境識別傳感器6連接在信號采集與處理裝置4上；

環(huán)境識別傳感器34自動記錄外部環(huán)境溫濕度、下雨狀態(tài)，可以自動進行雨刮操作，滿足復雜天氣下的使用，在反演圖像上疊加溫濕度數(shù)據(jù)、下雨狀態(tài)，可以更好的聯(lián)合分析氣象條件對霧霾的作用。

表1所示為每個脈沖的激光出射位置與接收位置的偏差數(shù)據(jù)表：

表1 光出射位置與接收位置的偏差數(shù)據(jù)表

當雷達的探測距離為10km，激光出射后回波信號返回到激光雷達的距離為20km，按光速3*10⁸計算，需要反應(yīng)時間為6.7*10^-5s，當車速為60km/h（16.7m/s）時，車輛已行駛0.0011m，激光出射位置與接收位置的偏差為1.1mm，該偏差對口徑150mm以上的激光雷達幾乎忽略不計。當車速按照120km/h（33.3m/s）計算，在同樣的反應(yīng)時間內(nèi)，激光出射位置與接收位置的偏差為2.2mm，同理不影響光路的接收。

使用中，采用了全固化二極管泵浦激光器，激光雷達每條數(shù)據(jù)的采集時間間隔為5s，約有10000個脈沖，車速按60km/h計算，車輛行駛了83.5m，同類產(chǎn)品的時間分辨率約為30s，以此速度行駛約501m，遠遠大于83.5m，因此在走航觀測中，高時間分辨率更好的滿足大氣空間分布的探測，精度更高。

圖5所示為在不同海拔高度測得的信噪比廓線圖，在激光雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中，信噪比優(yōu)于10才能反演有效的雷達數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)有產(chǎn)品的時間分辨率約為30s才能滿足信號反演需求，而本實用新型的掃描式大氣顆粒物監(jiān)測激光雷達裝置時間分辨率優(yōu)于5s就可滿足信號反演需求。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例方式，不能以此來限定本實用新型保護的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型的基礎(chǔ)上所做的任何非實質(zhì)性的變化及替換均屬于本實用新型所要求保護的范圍。