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一种小型化沙氏大气激光雷达系统

阅读：393发布：2023-12-17

专利汇可以提供一种小型化沙氏大气激光雷达系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于激光技术应用技术领域，提供了一种小型化沙氏大气激光雷达系统，包括激光发射机、接收机、底板、温控电路板、驱动电路板、调制信号发生器和光路调节机构，激光发射机、接收机、温控电路板、驱动电路板、调制信号发生器和光路调节机构均安装在底板上，通过光路调节机构，使激光发射机和接收机的光学系统满足沙氏成像原理。小型化系统相比于目前现有的沙氏大气激光雷达系统，体积更小、成本更低、更加便携，解决了目前大气激光雷达系统体积和重量大、难以移动、不便于频繁更换测量场地的问题。，下面是一种小型化沙氏大气激光雷达系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种小型化沙氏大气激光雷达系统，其特征在于，该小型化沙氏大气激光雷达系统包括激光发射机(1)、接收机(2)、底板(15)、温控电路板(17)、驱动电路板(18)、调制信号发生器(19)和光路调节机构，激光发射机(1)、接收机(2)、温控电路板(17)、驱动电路板(18)、调制信号发生器(19)和光路调节机构均安装在底板(15)上，通过光路调节机构，使激光发射机(1)和接收机(2)的光学系统满足沙氏成像原理；
所述的激光发射机(1)包括准直镜头(3)、二极管激光器模块(4)和用来连接准直镜头(3)与二极管激光器模块(4)的连接件(5)；
所述的接收机(2)包括接收望远镜(6)、滤光片、图像传感器(8)、图像传感器支架(10)、图像传感器座(11)、工控机(9)和转接件；接收望远镜(6)的镜头处安装第一转接件(12a)，，第一转接件(12a)接第二转接件(12b)，第二转接件(12b)内安装有窄带滤光片(7a)和第二滤光片(7b)；第二转接件(12b)固定在图像传感器支架(10)的一侧面，图像传感器座(11)固定在图像传感器支架(10)的另一侧面，图像传感器(8)进一步固定在图像传感器支架(10)上，图像传感器支架(10)固定在底板(15)上，确保图像传感器(8)相对于接收望远镜(6)光轴的倾角为45°；图像传感器(8)将接收到的回波光信号转化为数字电信号，进一步将数字电信号传递至工控机(9)；
所述的光路调节机构包括角度调节装置和光轴固定装置；角度调节装置包括旋转位移平台(13)和小底板(14)，激光发射机(1)固定在小底板(14)上，小底板(14)固定在旋转位移平台(13)上；光轴固定装置包括抱箍和垫片(16)，通过抱箍将准直镜头(3)固定在小底板(14)上，接收望远镜(6)固定在底板(15)上，二极管激光器模块(4)与小底板(14)之间通过垫片15固定；
所述的调制信号发生器(19)接收来自图像传感器(8)的曝光同步信号，产生对连续光二极管激光器模块的开-关调制信号；
所述的工控机(9)，对图像传感器(8)提供的数字电信号进行缓冲和暂存，并进行大气后向散射信号处理和大气参数估计；工控机(9)和图像传感器(8)以有线方式连接。
2.根据权利要求1所述的小型化沙氏大气激光雷达系统，其特征在于，所述的图像传感器(8)采用CCD或CMOS传感器，采集接收望远镜(6)收集的散射光，将其转化为数字电信号，并可实现数据的缓存和传输。
3.根据权利要求1或2所述的小型化沙氏大气激光雷达系统，其特征在于，所述的接收望远镜(6)采用牛顿反射式接收望远镜。
4.根据权利要求1或2所述的小型化沙氏大气激光雷达系统，其特征在于，所述的准直镜头(3)采用折返式镜头。
5.根据权利要求3所述的小型化沙氏大气激光雷达系统，其特征在于，所述的准直镜头(3)采用折返式镜头。
6.根据权利要求1、2或5所述的小型化沙氏大气激光雷达系统，其特征在于，所述的二极管激光器模块(4)可输出激光，并可实现激光器工作温度、电流的调节。
7.根据权利要求3所述的小型化沙氏大气激光雷达系统，其特征在于，所述的二极管激光器模块(4)可输出激光，并可实现激光器工作温度的调节。
8.根据权利要求4所述的小型化沙氏大气激光雷达系统，其特征在于，所述的二极管激光器模块(4)可输出激光，并可实现激光器工作温度的调节。

说明书全文

一种小型化沙氏大气激光雷达系统

技术领域

[0001] 本发明属于激光技术应用技术领域，涉及基于Scheimpflug成像原理的小型化沙氏大气激光雷达系统，用于检测大气气溶胶的时间、空间演变过程。

背景技术

[0002] 大气激光雷达是一种可以探测大气气溶胶消光、后向散射系数、粒子大小以及形状、大气气体浓度等参数的有源光学遥感探测技术。目前大气激光雷达主要以脉冲式激光雷达为主，脉冲式激光雷达是利用脉冲激光器向大气中发射纳秒量级脉冲激光，使用大口径望远镜接收激光脉冲的后向散射信号，并通过光电倍增管(PMT)进行光电探测。系统常用的激光器为Nd:YAG激光器。脉冲式大气激光雷达经过二三十年的发展，技术上已经相对成熟，广泛应用于大气环境监测。然而，由于脉冲式激光雷达系统较为复杂、价格比较昂贵、维护成本较高等问题，一定程度上限制了脉冲式大气激光雷达技术的广泛应用。近年来，研究人员提出了一种基于沙氏成像原理的新型连续光大气激光雷达(SLidar)技术，并应用于大气颗粒物污染监测以及大气污染气体浓度测量等方面。SLidar技术以沙氏成像原理(Scheimpflug原理)为基础，其主要内涵是：当成像系统的像面、物面以及透镜所在平面相交于一条直线时，该成像系统便可对物面成清晰的像，并具备无穷远景深。SLidar技术与传统脉冲式激光雷达对比起来，有如下特色：第一，系统结构较为简单，维护更加容易；第二，沙氏大气激光雷达采用大功率二极管激光器，结构紧凑，成本大幅度降低，激光波长有了更多选择。第三，SLidar大气回波信号不随距离平方衰减。然而，现有的SLidar系统虽然克服了传统脉冲式大气激光雷达技术在激光光源和探测方面的难点，但体型依然较大，不利于携带，难以满足移动式测量以及小型化安装等特殊应用需求。为了克服这一问题，本发明设计了一种小型化的SLidar系统，该系统体型小、结构紧凑、重量轻、成本低廉。

发明内容

[0003] 本发明提供了一种小型化沙氏大气激光雷达系统，与现有沙氏大气激光雷达系统相比，结构更加紧凑、体积更小、重量更轻，便于移动以及户外测量。

[0004] 本发明的技术内容：

[0005] 一种小型化沙氏大气激光雷达系统，包括激光发射机1、接收机2、底板15、温控电路板17、驱动电路板18、调制信号发生器19和光路调节机构，激光发射机1、接收机2、温控电路板17、驱动电路板18、调制信号发生器19和光路调节机构均安装在底板15上，通过光路调节机构，使激光发射机1和接收机2的光学系统满足沙氏成像原理；

[0006] 所述的激光发射机1包括准直镜头3、二极管激光器模块4和用来连接准直镜头3与二极管激光器模块4的连接件5；

[0007] 所述的接收机2包括接收望远镜6、滤光片、图像传感器8、图像传感器支架10、图像传感器座11和转接件；接收望远镜6的镜头处安装第一转接件12a，第一转接件12a接第二转接件12b，第二转接件12b内安装有窄带滤光片7a和高通滤光片7b；第二转接件12b固定在图像传感器支架10的一侧面，图像传感器座11固定在图像传感器支架10的另一侧面，图像传感器8进一步固定在图像传感器支架10上，图像传感器支架10固定在底板15上，确保图像传感器8相对于接收望远镜6光轴的倾角为45°；图像传感器8将接收到的回波光信号转化为数字电信号，进一步将数字电信号传递至工控机9；

[0008] 所述的光路调节机构包括角度调节装置和光轴固定装置；角度调节装置包括旋转位移平台13和小底板14，激光发射机1固定在小底板14上，小底板14固定在旋转位移平台13上；光轴固定装置包括抱箍和垫片16，通过抱箍将准直镜头3固定在小底板14上，接收望远镜6固定在底板15上，二极管激光器模块4与小底板14之间通过垫片15固定；

[0009] 所述的调制信号发生器19接收来自图像传感器8的曝光同步信号，产生对连续光二极管激光器模块的开-关调制信号。

[0010] 所述的工控机9，对图像传感器8提供的数字信号进行缓冲和暂存，并进行大气后向散射信号处理和大气参数估计；工控机9和图像传感器8以有线方式连接。

[0011] 所述的满足沙氏成像原理指调节光束准直结构及其激光发射的角度使得发射光束所在平面，接收望远镜主光学元件所在平面，图像传感器所在平面三者相交，从而实现从近距离到远距离的大范围内清晰成像。

[0012] 所述的调制信号发生器19基于约翰逊计数器原理。

[0013] 所述的准直镜头3采用折返式镜头。

[0014] 所述的二极管激光器模块4可输出激光，并可实现激光器工作温度、电流的调节。

[0015] 所述的接收望远镜6采用牛顿反射式接收望远镜。

[0016] 所述的图像传感器8采用CCD或CMOS传感器，采集接收望远镜6收集的散射光，将其转化为数字电信号，并可实现数据的缓存和传输。

[0017] 本发明的有益效果：

[0018] 第一，小型化沙氏大气激光雷达系统在满足沙氏成像原理的前提下，通过对发射到大气中的激光光束进行成像，以角度分辨的方式获得距离分辨的大气后向散射信号，通过使用连续光二极管激光器作为光源，以CCD/CMOS传感器作为探测器，极大地简化了系统结构，降低了大气激光雷达系统的成本，弥补了传统脉冲氏大气激光雷达在光源与光电检测方面的不足之处，增加了系统结构的稳定性和可靠性。

[0019] 第二，小型化系统相比于目前现有的沙氏大气激光雷达系统，体积更小、成本更低、更加便携，解决了目前大气激光雷达系统体积和重量大、难以移动、不便于频繁更换测量场地的问题。附图说明

[0020] 图1为本发明的结构示意图。

[0021] 图2为本发明的系统原理图。

[0022] 图3为本发明的系统装配图。

[0023] 图4为本发明接收机的细节图。

[0024] 图5为本发明发射机的细节图。

[0025] 图中：1激光发射机；2接收机；3准直镜头；4二极管激光器模块；5连接件；6接收望远镜；7a窄带滤光片；7b第二滤光片；8图像传感器；9工控机；10图像传感器支架；11图像传感器座；12a第一转接件；12b第二转接件；13旋转位移平台；14小底板；15底板；16垫片；17温控电路板；18驱动电路板；19调制信号发生器。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图和技术方案，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0027] 本发明基于沙氏成像原理，提供了一种小型化沙氏大气激光雷达系统，如图1至5所示；一种小型化沙氏大气激光雷达系统，包括激光发射机1、接收机2、底板15、温控电路板17、驱动电路板18、调制信号发生器19和光路调节机构，激光发射机1、接收机2、温控电路板
17、驱动电路板18、调制信号发生器19和光路调节机构均安装在底板15上，通过光路调节机构，使激光发射机1和接收机2的光学系统满足沙氏成像原理。

[0028] 激光发射机1包括准直镜头3、二极管激光器模块4和转接件5。为了增大系统的探测距离，可以选用高功率二极管激光器；准直镜头3采用马卡镜头。二极管激光器模块4与准直镜头3之间，用连接件5固定，连接件5一侧与准直镜头3通过螺纹连接，另一侧可被激光器的圆筒形结构插入，并利用螺丝从侧面锁死，以固定发射机结构。激光经准直镜头3准之后发射到大气中。为了减小光束的发散角，并且尽可能缩小发射机的体积和重量，一般选取焦距为500mm、焦比6.3、口径为95mm的折返式镜头。

[0029] 接收机2包括接收望远镜6、窄带滤光片7a、第二滤光片7b、图像传感器8、信号处理器19。发射到大气中的激光光束会被大气分子以及气溶胶粒子所散射和吸收。其中，牛顿反射式接收望远镜(焦距450mm，口径114mm)收集后向散射信号，经窄带滤光片7a和第二滤光片7b后成像到图像传感器8。图像传感器8相对于接收望远镜6光轴的倾角设计为45°。

[0030] 图像传感器8的任务是将接收到的回波光信号转化为数字电信号，通常采用CCD或CMOS传感器。图像传感器8输出数字电信号至信号处理器，信号处理器一般选取工控机。工控机9与图像传感器8之间采用USB线缆连接完成数据传输，并完成大气后向散射信号的处理，进行各种大气参数的提取。窄带滤光片7a、第二滤光片7b、图像传感器8、图像传感器支架10、图像传感器座11、转接件12a、12b组成接收组件，图像传感器支架10的底部带有通槽，底板15设计有与之匹配的螺纹孔，可以将接收组件固定在底板上，再将接收组件插入到接收望远镜6中。

[0031] 在保证发射机1和接收机2的光轴间隔约为450mm(接收望远镜焦距)的条件下，小型化沙氏大气激光雷达的光学结构可以满足沙氏成像原理，即激光发射机1或发射光束中心所在平面，图像传感器8所在平面，以及接收机2光轴所在平面三者相交。通过调节激光发射机1的角度使得激光光束位于接收机2的视场中心，从而实现从近距离到远距离的大范围内清晰成像。

[0032] 光路调节机构包括角度调节装置和光轴固定装置。角度调节装置由旋转位移平台13和小底板14组成。旋转位移平台13带有通孔，底板15有与之匹配的螺纹孔，旋转位移平台
13可通过螺丝固定在底板15上，小底板14以同样的方式固定在旋转位移平台13上，旋转位移平台13的螺旋旋钮，即可调节激光发射机1与接收机2光轴之间的夹角。光轴固定装置包括4个用于固定准直镜头的抱箍a1、a2、a3、a4，4个用于固定接收望远镜的抱箍b1、b2、b3、b4、1个垫片16。先将激光器通过垫片16固定在小底板14上，再将2个抱箍a1、a2通过螺纹孔固定在小底板14上，将准直镜头3放入，再将剩余的2个抱箍a3、a4与之匹配、锁紧，接下来将
2个抱箍b1、b2、固定在底板15上，将接收望远镜6放入抱箍中，再将剩下的2个抱箍b3、b4与之匹配、锁紧，通过上述操作便可保持发射机与接收机的光轴水平。

[0033] 在进行大气气溶胶测量时，为了排除太阳背景信号对激光雷达回波信号的影响，不仅需要使用窄带滤光片7a和第二滤光片7b抑制背景信号的强度，还需要对二极管激光器的发射光强进行开-关调制。方法为由图像传感器8产生的曝光时钟信号触发调制信号发生器19产生调制方波信号，该方波信号触发驱动电路板18产生方波电流，从而实现对二极管激光器模块4发射激光光强的方波调制。调制信号发生器19一般基于约翰逊计数器原理。

[0034] 小型化沙氏大气激光雷达系统的工作方式如下：

[0035] 通过工控机9操控温控电路板17、驱动电路板18，预设激光器的工作温度、工作电流，二极管激光器模块4发出激光经过准直镜头准直后发射到大气中。

[0036] 图像传感器8产生的曝光时钟信号触发调制信号发生器19产生调制方波信号，该方波信号触发激光器的驱动电路板8产生方波电流，从而实现对二极管激光器模块发射光强的方波调制。图像传感器8交替记录激光光束图像和大气背景图像，并发送至工控机9进行分析和处理，最终获得大气回波信号。

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