一种探测拉曼激光雷达光路系统 |
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| 申请号 | CN201610647075.8 | 申请日 | 2016-08-09 | 公开(公告)号 | CN106054158A | 公开(公告)日 | 2016-10-26 |
| 申请人 | 北方民族大学; | 发明人 | 毛建东; 刘凯; 殷利庆; 孙颖; 王朝飞; 秦学珍; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种探测拉曼 激光雷达 光路系统，涉及激光大气遥感技术领域。该探测拉曼激光雷达光路系统包括中激光发射模 块 、光学接收模块和 数据采集 模块；激光发射模块向大气中发射的二倍频532nm的脉冲激光与大气粒子互相作用后产生散射光 信号 ，该散射 光信号 回射，被光学接收模块的望远镜系统接收，再将接收到的光线依次分五层同时分光处理后，转由数据采集模块处理。本发明提供的探测拉曼激光雷达光路系统，解决 现有技术 中针对大气 温度 、 水 汽、氮气和 气溶胶 的单一探测时，需要使用不同的设备进行检测，进而使得检测成本高，浪费资源，耗时多，检测人员工作量大，且所用设备体积庞大，结构复杂，检测系统繁琐等问题。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种探测拉曼激光雷达光路系统，其特征在于，包括激光发射模块、光学接收模块和数据采集模块； |
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| 说明书全文 | 一种探测拉曼激光雷达光路系统技术领域[0001] 本发明涉及激光大气遥感技术领域，尤其涉及一种探测拉曼激光雷达光路系统。 背景技术[0002] 激光雷达是以激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段主动遥感设备，是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测技术。由于激光雷达具有探测灵敏度高、空间分辨率高等优点，已成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效方法。激光雷达可以利用激光与大气中存在的空气分子和气溶胶粒子间的互相作用来实现对大气光学与物理特性，以及大气气象参数的主动遥感探测。 [0003] 在目前市场上，激光雷达主要以针对大气温度、水汽、氮气和气溶胶的单一探测目的为主，在测量大气温度、水汽、氮气和气溶胶时分别通过针对检测元素的设备进行检测，这种方式不仅成本高，浪费资源，同时花费时间多，增加了检测人员的工作量，且所用设备体积庞大，结构复杂，检测系统繁琐。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种探测拉曼激光雷达光路系统，以解决现有技术中针对大气温度、水汽、氮气和气溶胶的单一探测时，需要使用不同的设备进行检测，进而使得检测成本高，浪费资源，耗时多，检测人员工作量大，且所用设备体积庞大，结构复杂，检测系统繁琐 等问题。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案： [0006] 本发明提供一种探测拉曼激光雷达光路系统，包括激光发射模块、光学接收模块和数据采集模块；所述激光发射模块发射的二倍频532nm的脉冲激光与大气粒子作用后产生散射信号；所述散射信号被所述光学接收模块接收并分光处理后由所述数据采集模块采集处理；所述光学接收模块包括望远镜系统、第一分色镜、第二分色镜、第三分色镜、第四分色镜、第一干涉滤光片、第二干涉滤光片、第三干涉滤光片、第四干涉滤光片、第五干涉滤光片、第六干涉滤光片、第七干涉滤光片、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、第四光电倍增管和第五光电倍增管；所述望远镜系统用以接收大气反射的所述散射信号，其输出端将该信号入射至所述第一分色镜，由所述第一分色镜向后传递；所述第一分色镜将接收到的光线分别反射至所述第二分色镜，同时折射至所述第三分色镜；所述第二分色镜将接收到的光线反射至所述第四分色镜；所述第一干涉滤光片接收经过所述第三分色镜折射的光线，并将光线折射至所述第一光电倍增管；所述第二干涉滤光片接收所述第三分色镜反射的光线，并将光线折射至所述第三干涉滤光片，所述第三干涉滤光片将光线折射至所述第二光电倍增管；所述第四干涉滤光片接收所述第二干涉滤光片反射的光线，并将光线折射至所述第五干涉滤光片，所述第三光电倍增管接收经过所述第五干涉滤光片折射的光线；所述第六干涉滤光片接收经过所述第四分色镜折射的光线，并折射至所述第四光电倍增管；所述第七干涉滤光片接收所述第四分色镜反射的光线，并折射至所述第五光电倍增管。 [0007] 进一步，所述第一干涉滤光片的中心波长为532.2nm；所述第二干涉滤光片与所述第三干涉滤光片的中心波长为530nm；所述第四 干涉滤光片与所述第五干涉滤光片的中心波长为528nm；所述第六干涉滤光片的中心波长为660nm；所述第七干涉滤光片的中心波长为607nm。该技术方案的技术效果在于：通过不同波长的干涉滤光片选择出需要的光线。 [0008] 进一步，所述第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、第四光电倍增管和第五光电倍增管后端分别与所述数据采集模块电连接。该技术方案的技术效果在于：光电倍增管将接收到的光信号转化为电信号，通过与数据采集模块相连的导线传递给数据采集模块。 [0009] 进一步，所述光学接收模块还包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜；所述第一透镜设置在所述第一光电倍增管的前端，用以会聚所述第一干涉滤光片传递的光线；所述第二透镜设置在所述第二光电倍增管的前端，用以会聚所述第三干涉滤光片传递的光线；所述第三透镜设置在所述第三光电倍增管的前端，用以会聚所述第五干涉滤光片传递的光线；所述第四透镜设置在所述第四光电倍增管的前端，用以会聚所述第六干涉滤光片传递的光线；所述第五透镜设置在所述第五光电倍增管的前端，用以会聚所述第七干涉滤光片传递的光线。该技术方案的技术效果在于：通过干涉滤光片的光线经过透镜折射会聚，传递给光电倍增管。 [0010] 进一步，所述第一光电倍增管接收波长为532nm的信号并分离得到弹性散射信号；所述第二光电倍增管接收波长为530nm的信号；所述第三光电倍增管接收波长为528nm的信号；所述第四光电倍增管接收波长为660nm的水汽振动拉曼散射信号；所述第五光电倍增管接收波长为607nm的高量子数转动拉曼信号，并分离出低量子数转动拉曼信号。该技术方案的技术效果在于：特定波长的光线被对应的光电 倍增管接收后，光电倍增管将光信号转化为电信号，然后将该电信号传递至数据采集模块。 [0011] 进一步，所述光学接收模块还包括第六透镜；所述第六透镜设置在所述望远镜系统与所述第一分色镜之间，用以准直经过所述望远镜系统的光线，并将该光线入射至所述第一分色镜。该技术方案的技术效果在于：由望远镜系统接收的光线经过第六透镜会聚、准直后变成平行光，传递至第一分色镜继续分光。 [0012] 进一步，所述第一分色镜、第二分色镜、第三分色镜和第四分色镜与水平面夹角为45度。该技术方案的技术效果在于：改变平行光线的传播方向，使光路传播更容易顺畅，进而达到良好的分光效果。 [0013] 进一步，所述第一干涉滤光片和所述第六干涉滤光片与水平面夹角为0～7度；所述第二干涉滤光片、第三干涉滤光片、第四干涉滤光片、第五干涉滤光片和第七干涉滤光片与竖直平面夹角0～7度。该技术方案的技术效果在于：通过不同角度的干涉滤光片改变了光线传播方向，更便于光路传递，以分离出所需光线信号。 [0014] 进一步，还包括控制模块；所述控制模块与所述激光发射模块和所述数据采集模块电连接；所述控制模块控制所述激光发射模块发射脉冲激光；所述脉冲激光与大气粒子作用后产生散射信号，所述散射信号回射后被所述光学接收模块接收并分光处理后由所述数据采集模块采集处理，而后所述数据采集模块给所述控制模块发出结束测量指令，所述控制模块将该指令传递至所述激光发射模块。该技术方案的技术效果在于：控制模块控制激光发射模块持续发射激光或停止发射激光；数据采集模块对于控制模块有一个反馈作用，通过电信号向控制模块传递结束发射指令。 [0015] 进一步，所述激光发射模块包括Nd:YAG脉冲激光器和二倍频晶体；所述Nd:YAG脉冲激光器控制端与所述控制模块电连接；所述二 倍频晶体设置在所述Nd:YAG脉冲激光器的发射端。该技术方案的技术效果在于：Nd:YAG脉冲激光器发射脉冲激光，该脉冲激光通过二倍频晶体转变为频率为2v的激光，然后转变后的激光进入大气，与大气互相作用。 [0016] 本发明的有益效果是：激光发射模块向大气中发射二倍频的532nm的脉冲激光，脉冲激光与大气粒子互相作用后产生散射光信号，该散射光信号回射，被光学接收模块的望远镜系统接收，通过光学接收模块将接收到的光线依次分五层同时分光处理后，转由数据采集模块处理。整个分光系统结构简单，构造清楚明确，实现了对大气温度、水汽、氮气和气溶胶的单一探测时的同时测量，进而检测成本低，节省资源与时间，减轻了检测人员的工作量。附图说明 [0017] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。 [0018] 图1为本发明提供的探测拉曼激光雷达光路系统的示意图。 [0019] 附图标记： [0020] 11-第一分色镜； 12-第二分色镜； 13-第三分色镜； [0021] 14-第四分色镜； [0022] 21-第一干涉滤光片； 22-第二干涉滤光片； [0023] 23-第三干涉滤光片； 24-第四干涉滤光片； [0024] 25-第五干涉滤光片； 26-第六干涉滤光片； [0025] 27-第七干涉滤光片； [0026] 31-第一光电倍增管； 32-第二光电倍增管； [0027] 33-第三光电倍增管； 34-第四光电倍增管； [0028] 35-第五光电倍增管； [0029] 41-第一透镜； 42-第二透镜； 43-第三透镜； [0030] 44-第四透镜； 45-第五透镜； 46-第六透镜； [0031] 5-激光发射模块； 6-望远镜系统； 7-数据采集模块； [0032] 8-电源。 具体实施方式[0033] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0034] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0035] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情 况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0036] 表1给出本发明提供了一种探测拉曼激光雷达光路系统的组成器件的技术参数。 [0037] 表1 [0038] [0039] 本实施例提供了一种探测拉曼激光雷达光路系统，其中：图1为本发明提供的探测拉曼激光雷达光路系统的示意图。如图1所示，探测拉曼激光雷达光路系统的主要结构包括激光发射模块5、光学接收模块和数据采集模块7。具体地，激光发射模块5发射的二倍频532nm的脉冲激光与大气粒子作用后产生散射信号；散射信号被光学接收模块接收并分光处理后由数据采集模块7采集处理；光学接收模块包括望远镜系统6、第一分色镜11、第二分色镜12、第三分色镜13、第四分色镜14、第一干涉滤光片21、第二干涉滤光片22、第三 干涉滤光片23、第四干涉滤光片24、第五干涉滤光片25、第六干涉滤光片26、第七干涉滤光片27、第一光电倍增管31、第二光电倍增管32、第三光电倍增管33、第四光电倍增管34和第五光电倍增管35；望远镜系统6用以接收大气反射的散射信号，其输出端将该信号入射至第一分色镜11，由第一分色镜11向后传递；第一分色镜11将接收到的光线分别反射至第二分色镜12，同时折射至第三分色镜13；第二分色镜12将接收到的光线反射至第四分色镜14；第一干涉滤光片21接收经过第三分色镜13折射的光线，并将光线折射至第一光电倍增管31；第二干涉滤光片22接收第三分色镜13反射的光线，并将光线折射至第三干涉滤光片23，第三干涉滤光片23将光线折射至第二光电倍增管32；第四干涉滤光片24接收第二干涉滤光片22反射的光线，并将光线折射至第五干涉滤光片25，第三光电倍增管33接收经过第五干涉滤光片 25折射的光线；第六干涉滤光片26接收经过第四分色镜14折射的光线，并折射至第四光电倍增管34；第七干涉滤光片27接收第四分色镜14反射的光线，并折射至第五光电倍增管35。 [0040] 在现有技术中，激光雷达主要以针对大气温度、水汽、氮气和气溶胶的单一探测目的为主，在测量大气温度、水汽、氮气和气溶胶时分别通过针对检测元素的设备进行检测，这种方式不仅成本高，浪费资源，同时花费时间多，增加了检测人员的工作量，且所用设备体积庞大，结构复杂，检测系统繁琐。 [0041] 本实施例的探测拉曼激光雷达光路系统，激光发射模块5向大气中发射二倍频的532nm的脉冲激光，脉冲激光与大气粒子互相作用后产生散射光信号，该散射光信号回射，被光学接收模块的望远镜系统6接收，通过光学接收模块中的第一分色镜11、第二分色镜 12、第三分色镜13、第四分色镜14、第一干涉滤光片21、第二干涉滤光片 22、第三干涉滤光片23、第四干涉滤光片24、第五干涉滤光片25、第六干涉滤光片26、第七干涉滤光片27、第一光电倍增管31、第二光电倍增管32、第三光电倍增管33、第四光电倍增管34和第五光电倍增管35将接收到的光线依次分五层同时分光处理后，转由数据采集模块7处理。 [0042] 在本实施例的可选方案中，如图1所示，进一步地，第一干涉滤光片21的中心波长为532.2nm；第二干涉滤光片22与第三干涉滤光片23的中心波长为530nm；第四干涉滤光片24与第五干涉滤光片25的中心波长为528nm；第六干涉滤光片26的中心波长为660nm；第七干涉滤光片27的中心波长为607nm。具体的，干涉滤光片利用干涉原理只使特定光谱范围内的光通过。在本实施例中，经望远镜系统6接受的光线通过第一分色镜11，部分反射至第三分色镜13，再经第三分色镜13折射的部分光线进入第一干涉滤光片21，波长为532.2nm的光线通过第一干涉滤光片21，由第一光电倍增管31接收；部分经第一分色镜11折射的光线进入第二分色镜12，再由第二分色镜12反射至第四分色镜14，部分光线经过第四分色镜14折射进入第六干涉滤光片26，波长660nm的光线通过第六干涉滤光片26，由第四光电倍增管34接收；部分没有通过第四分色镜14光线被反射至第七干涉滤光片27，波长607nm的光线通过第七干涉滤光片27，由第五光电倍增管35接收；部分经第三分色镜13反射的光线进入第三干涉滤光片23，波长530nm的光线经第二干涉滤光片22折射进入第三干涉滤光片23，再经第三干涉滤光片23折射，最后由第二光电倍增管32接收；没有通过第二干涉滤光片22的光线经其反射至第四干涉滤光片24，波长528nm的光线通过第四干涉滤光片24折射至第五干涉滤光片25，经第五干涉滤光片25再次折射后，由第三光电倍增管33接收。 [0043] 在本实施例的可选方案中，如图1所示，进一步地，第一光电倍增管31、第二光电倍增管32、第三光电倍增管33、第四光电倍增管34和第五光电倍增管35后端分别与数据采集模块7电连接。具体地，五个光电倍增管分别连接电源8，并分别将接收到的光信号转化为电信号，通过与数据采集模块7相连的导线传递给数据采集模块7。在本实施例中，第一光电倍增管31接收到波长为532.2nm的光线，将该光信号转化为电信号传递给数据采集模块7；第二光电倍增管32接收到波长530nm的光线，将该光信号转化为电信号传递给数据采集模块7；第三光电倍增管33接收到波长为528nm的光线，将该光信号转化为电信号传递给数据采集模块7；第四光电倍增管34接收到波长为660nm的光线，将该光信号转化为电信号传递给数据采集模块7；第五光电倍增管35接收到波长为607nm的光线，将该光信号转化为电信号传递给数据采集模块7。 [0044] 在本实施例的可选方案中，如图1所示，进一步地，光学接收模块还包括第一透镜41、第二透镜42、第三透镜43、第四透镜44和第五透镜45；第一透镜41设置在第一光电倍增管31的前端，用以会聚第一干涉滤光片21传递的光线；第二透镜42设置在第二光电倍增管 32的前端，用以会聚第三干涉滤光片23传递的光线；第三透镜43设置在第三光电倍增管33的前端，用以会聚第五干涉滤光片25传递的光线；第四透镜44设置在第四光电倍增管34的前端，用以会聚第六干涉滤光片26传递的光线；第五透镜45设置在第五光电倍增管35的前端，用以会聚第七干涉滤光片27传递的光线。在本实施例中，最后经过干涉滤光片的光线经过设置在光电倍增管钱的透镜会聚后，传递给光电倍增管，由光电倍增管处理。 [0045] 在本实施例的可选方案中，如图1所示，进一步地，第一光电倍增管31接收波长为532nm的信号并分离得到弹性散射信号；第二光 电倍增管32接收波长为530nm的信号；第三光电倍增管33接收波长为528nm的信号；第四光电倍增管34接收波长为660nm的水汽振动拉曼散射信号；第五光电倍增管35接收波长为607nm的高量子数转动拉曼信号，并分离出低量子数转动拉曼信号。在本实施例中，第一光电倍增管31将接收的波长为532nm的光信号转化为电信号，传递至数据采集模块7，由数据采集模块7分析处理，最后确认该光路为气溶胶通道；第二光电倍增管32将接收的波长为530nm的光信号转化为电信号，传递至数据采集模块 7，由数据采集模块7分析处理，最后确认该光路为大气温度通道；第三光电倍增管33将接收的波长为528nm的光信号转化为电信号，传递至数据采集模块7，由数据采集模块7分析处理，最后确认该光路为大气温度通道；第四光电倍增管34将接收的波长为660nm的光信号转化为电信号，传递至数据采集模块7，由数据采集模块7分析处理，最后确认该光路为水汽通道；第五光电倍增管35将接收的波长为607nm的光信号转化为电信号，传递至数据采集模块 7，由数据采集模块7分析处理，最后确认该光路为氮气通道。 [0046] 在本实施例的可选方案中，如图1所示，进一步地，光学接收模块还包括第六透镜46；第六透镜46设置在望远镜系统6与第一分色镜11之间，用以准直经过望远镜系统6的光线，并将该光线入射至第一分色镜11。在本实施例中，由望远镜系统6接受的光线经过第六透镜46会聚、准直后变成平行光，传递至第一分色镜11继续分光。 [0047] 在本实施例的可选方案中，如图1所示，进一步地，第一分色镜11、第二分色镜12、第三分色镜13和第四分色镜14与水平面夹角为45度。。在本实施例中，经第六透镜46汇聚、准直后的光线平行射入第一分色镜11，因第一分色镜11与水平面夹角为45度，所以无论光线是折射或是反射，其所得到的光线依然是平行光；通过四 组分色镜的设置依次改变光路的传播方向，以达到更好的分光效果，同时保证了干涉滤光片接收光线以分离出所需光线信号。 [0048] 在本实施例的可选方案中，如图1所示，进一步地，第一干涉滤光片21和所述第六干涉滤光片26与水平面夹角为0～7度；第二干涉滤光片22、第三干涉滤光片23、第四干涉滤光片24、第五干涉滤光片25和第七干涉滤光片27与竖直平面夹角0～7度。在本实施例中，通过不同角度的干涉滤光片改变了光线传播方向，更便于光路传递，以分离出所需光线信号。 [0049] 在本实施例的可选方案中，如图1所示，进一步地，还包括控制模块(未标注)；控制模块与所述激光发射模块5和数据采集模块7电连接；控制模块控制激光发射模块5发射脉冲激光；脉冲激光与大气粒子作用后产生散射信号，散射信号回射后被光学接收模块接收并分光处理后由数据采集模块7采集处理，而后数据采集模块7给控制模块发出结束测量指令，控制模块将该指令传递至激光发射模块5。在本实施例中，控制模块控制激光发射模块5持续发射激光或停止发射激光；数据采集模7块对于控制模块有一个反馈作用，当第一次发射的脉冲激光大气粒子作用后产生散射信号，散射信号回射后被光学接收模块接收并分光处理后，有光电倍增管将接收到的光信号转化为电信号传递至数据采集模块7，数据采集模块7收到该电信号后向控制模块发出停止发射激光的指令，控制模块收到该指令后，控制激光发射模块5停止发射激光。 [0050] 在本实施例的可选方案中，如图1所示，进一步地，激光发射模块5包括Nd:YAG脉冲激光器(未标注)和二倍频晶体(未标注)；Nd:YAG脉冲激光器控制端与控制模块电连接；二倍频晶体设置在Nd:YAG脉冲激光器的发射端。在本实施例中，Nd:YAG脉冲激光器发 射脉冲激光，该脉冲激光通过二倍频晶体转变为频率为2v的激光，然后转变后的激光进入大气，与大气互相作用。 [0051] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |
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