技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种激光雷达系统，尤其是涉及一种用于探测大气颗粒物三维立体
时空分布，可适应室外复杂工作环境的多参量激光雷达系统。
背景技术
[0002] 作为一种先进的主动式遥感仪器，激光雷达可实现对大范围的大气组分和环境参量(如
温度、湿度等)进行连续、实时、高时空
分辨率的监测。自1960年第一台
激光器问世以来，由于在探测距离、时空分辨率、长期连续监测等方面具有独特的技术优势，激光雷达在多个领域均被广泛应用并越来越受到认可。激光雷达系统主要由激光发射、回波
信号接收、
数据采集和处理三部分组成。激光雷达可根据观测平台、工作
波长、散射机制以及探测目标等分为多种类型，但无论是哪一种类型其基本工作原理均是采用激光器向目标物发射
激光束，再接收被目标物散射(或反射)回来的回波
光信号，进而经过分光后使用探测器转换成回波
电信号，最后利用数据采集模
块采集回波电信号，并传输至电脑系统进行处理、显示和保存。
[0003] 当前，在社会和经济快速发展的同时，也伴随着环境污染和生态恶化问题的出现，并已成为各国政府和公众不容忽视的重要问题。其中，大气污染物一方面严重影响了人们的生活品质，另一方面其通过改变大气
辐射水平影响了辐射收支平衡，并参与大气中各种重要的物理化学过程，严重影响了区域乃至全球的
气候。为此，世界各国均相继出台防治大气污染的措施，例如，我国2013年9月出台了《大气污染防治行动计划》，2015年3月又修订了《中华人民共和国大气污染防治法》。由此可见，防治大气污染已成为当前急需解决的问题。
[0004] 在气象学领域，霾是指大气中存在大量细微的干
气溶胶粒子，从而使得空气能见度低于10公里的天气现象。而当空气中含有较多的
云雾粒子，使得能见度低于1公里时的天气现象称为雾。一般情况下，雾霾指的是能见度低于10公里的大气混浊现象。雾霾所含主要污染物质为固体颗粒物和气态污染物等，其中PM2.5在雾霾污染物中占有较大比重。这些物质会通过呼吸进入鼻腔、
呼吸道，因其粒径很小，比表面能很大，极易
吸附在呼吸道中刺激呼吸道，甚至会进入
肺部引起肺炎、诱发肺癌。
[0005] 近年来，为了更好地防治各类大气污染现象(尤其是雾霾)，本领域技术人员已研究开发多种监测大气污染的技术手段。例如，通过近地面采集空气样品再结合实验室分析空气样品，或通过地面在线仪器监测污染物，或采用卫星、飞机等不同平台监测污染物性质的时空分布特征。然而，上述监测手段均存在局限性，如分析程序麻烦、时效性低、成本高、时空分辨率低等。因此，研究开发一种可对大范围的大气污染物进行实时、快速、连续的高时空分辨率监测技术，实现对污染物来源的时空分布及其扩散进行全方位非
接触式
跟踪探测显得异常重要，其不但可有效提升大气污染物监测的技术水平，也可为深入研究大气污染形成机制(或生消过程)提供输入场和验证结果，并为制定防治空气污染措施、建立空气污染预警机制提供科学
支撑。实用新型内容
[0006] 本实用新型的目的是提供一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，其具有结构简单、运行可靠、监测全面、探测能
力强的优点，可对大气污染物进行实时、快速、可靠、连续、远程的监测，实用性较强。
[0007] 为解决
现有技术中传统大气污染监测手段其存在的分析程序繁琐、时效性低、成本高、时空分辨率低的问题，以及现有监测环境的激光雷达系统其功能单一的问题，本实用新型提供的一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，包括第一恒温箱、第二恒温箱以及设置于第一恒温箱和第二恒温箱之间的三维旋转
支架，第一恒温箱的前端壁上设有光学玻璃窗，第一恒温箱中设有激光发射单元和回波信号接收单元；第二恒温箱中设有信号采集单元、
信号处理与显示单元和电源；所述激光发射单元用于发射激光束，回波信号接收单元用于接收回波光信号并将回波光信号转换为回波电信号，信号采集单元用于采集回波电信号，信号处理与显示单元用于对回波电信号进行处理、显示和存储；其中，第一恒温箱通过三维旋转支架实现三维立体扫描，激光发射单元和电源通过设置于第一恒温箱和第二恒温箱之间的电源线连接，回波信号接收单元和信号采集单元通过设置于第一恒温箱和第二恒温箱之间的信号线连接，信号采集单元和信号处理与显示单元通过电线连接。
[0008] 进一步的，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，所述激光发射单元包括依次设置的激光发射器、
倍频器、第一反射镜和第二反射镜，所述激光发射单元和电源通过电源线连接是指激光发射器与电源连接；所述回波信号接收单元包括
天文望远镜、光阑、第一凸透镜、分光组件、第二凸透镜、第三凸透镜、第一
光电倍增管和第二光电倍增管，其中，天文望远镜、光阑、第一凸透镜和分光组件由前至后依次设置，第二凸透镜和第一光电倍增管依次设置在分光组件的
透射光路上，第三凸透镜和第二光电倍增管依次设置在分光组件的反射光路上；
[0009] 激光发射器用于发射激光束，倍频器用于将激光束的波长转变为可见光波段，第一反射镜和第二反射镜用于改变激光束的路径，且使经第二反射镜反射后的激光束与天文望远镜的光轴同轴；天文望远镜用于接收回波光信号，光阑用于调整回波信号接收单元的视场
角，第一凸透镜用于回波光信号的
准直平行，分光组件用于回波光信号的分光，第二凸透镜用于对回波光信号经分光组件分光后的透射分量进行聚焦，第三凸透镜用于对回波光信号经分光组件分光后的反射分量进行聚焦，第一光电倍增管用于将回波光信号的透射分量转换为对应的电信号并输出给信号采集单元，第二光电倍增管用于将回波光信号的反射分量转换为对应的电信号并输出给信号采集单元。
[0010] 进一步的，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，所述信号采集单元包括Licel瞬态数据采集器和触发源探测器，Licel瞬态数据采集器用于采集从第一光电倍增管和第二光电倍增管输出的回波电信号，并将采集的回波电信号输出给信号处理与显示单元，触发源探测器用于探测激光发射器的散射激光并触发Licel瞬态数据采集器采集回波电信号；其中，Licel瞬态数据采集器同时采用
模拟信号和
光子计数两种方式采集回波电信号；所述回波信号接收单元和信号采集单元通过信号线连接是指第一光电倍增管和第二光电倍增管均分别通过信号线与Licel瞬态数据采集器连接。
[0011] 进一步的，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，所述信号处理与显示单元为
计算机系统，信号处理与显示单元用于对Licel瞬态数据采集器输出的回波电信号进行处理、显示和存储。
[0012] 进一步的，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，所述激光发射单元还包括设置于倍频器和第一反射镜之间的扩束
准直器。
[0013] 进一步的，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，所述回波信号接收单元还设有电控移位台，分光组件包括第一分光组件和第二分光组件，第一分光组件和第二分光组件并排设置于电控移位台上，电控移位台用于使第一分光组件和第二分光组件交替处于回波信号接收单元的光路中。
[0014] 进一步的，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，所述第一分光组件包括偏振分光晶体和第一窄带滤光片，其中，第一窄带滤光片设置于偏振分光晶体的前侧
位置；第一分光组件用于回波光信号的米散射偏振测量。
[0015] 进一步的，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，所述第二分光组件包括二色镜、第二窄带滤光片和第三窄带滤光片，其中，第二窄带滤光片设置于二色镜透射光路的后侧位置，第三窄带滤光片设置于二色镜反射光路的后侧位置；第二分光组件用于回波光信号的拉曼信号测量。
[0016] 进一步的，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，所述三维旋转支架包括底座、水平旋转部件和垂直旋转部件，底座固定于第二恒温箱的上侧，水平旋转部件设置于底座上并通过第一
电机控制沿水平面在360°范围内旋转，垂直旋转部件设置于水平旋转部件上并与第一恒温箱固定连接，垂直旋转部件通过第二电机控制沿垂直面在120°范围内转动。
[0017] 进一步的，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，所述第一恒温箱和第二恒温箱均设有恒温控
制模块，所述恒温
控制模块用于监测第一恒温箱和第二恒温箱中的工作环境状态并控制雷达系统的启停。
[0018] 本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统与现有技术相比，具有以下优点：(1)本实用新型通过设置第一恒温箱、第二恒温箱以及设置于第一恒温箱和第二恒温箱之间的三维旋转支架，让第一恒温箱在前端壁上设置光学玻璃窗，并在第一恒温箱中设置激光发射单元和回波信号接收单元，在第二恒温箱中设置信号采集单元、信号处理与显示单元和电源。通过激光发射单元发射激光束，通过回波信号接收单元接收回波光信号并将回波光信号转换为回波电信号，通过信号采集单元采集回波电信号，通过信号处理与显示单元对回波电信号进行处理、显示和存储。其中，第一恒温箱通过三维旋转支架实现三维立体扫描，激光发射单元和电源通过设置于第一恒温箱和第二恒温箱之间的电源线连接，回波信号接收单元和信号采集单元通过设置于第一恒温箱和第二恒温箱之间的信号线连接，信号采集单元和信号处理与显示单元通过电线连接。由此就构成了一种结构简单、运行可靠、适应性强、监测全面、探测能力强的激光雷达系统。本实用新型通过设置第一恒温箱和第二恒温箱，并让激光发射单元和回波信号接收单元设置于第一恒温箱中，让信号采集单元、信号处理与显示单元和电源设置于第二恒温箱中，并采用小型高
精度恒温控制系统，实现了精密光学组件对工作环境的恒温、除湿及防尘要求，解决了现有激光雷达系统无法适应复杂室外工作环境的问题。同时，通过在第一恒温箱和第二恒温箱之间设置三维旋转支架，让第一恒温箱通过三维旋转支架实现三维立体扫描，增强了监测的全面性，避免了现有激光雷达系统其探测方向单一的问题，可实现对大气污染物性质的实时、快速、可靠、连续、远程监测。另外，本实用新型通过让激光发射单元发射的激光束与回波信号接收单元接收的回波光信号同轴，可有效提高激光雷达系统的探测能力，具有较强的实用性。(2)作为优化方案，本实用新型使激光发射单元在倍频器和第一反射镜之间设置了扩束准直器，通过设置扩束准直器不仅能增大发射激光束的光斑尺寸，还可有效减少发射激光束发散角，有效增强激光雷达系统的探测能力。同时，本实用新型通过在回波信号接收单元中设置光阑，通过光阑调整回波信号接收单元的视场角可减少背景信号的影响，从而提高了
信噪比，增强了激光雷达系统监测的可靠性。(3)作为进一步优化方案，本实用新型在回波信号接收单元中还设置了电控移位台，并使分光组件包括第一分光组件和第二分光组件，让第一分光组件和第二分光组件并排设置于电控移位台上，通过电控移位台控制第一分光组件和第二分光组件交替处于回波信号接收单元的光路中。其中第一分光组件用于回波光信号的米散射偏振测量，第二分光组件用于回波光信号的拉曼信号测量。通过以上结构设置实现两组分光组件探测四个变量的技术目的，在使得激光雷达系统小型化的同时，可大大减少成本，提高易控性，降低发生故障的机率。
[0019] 下面结合
附图所示
实施例对本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统作进一步详细说明：
附图说明
[0020] 图1为本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统的侧视图；
[0021] 图2为本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统的前视图；
[0022] 图3为本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统中激光发射单元、回波信号接收单元、信号采集单元和信号处理与显示单元的连接关系示意图；
[0023] 图4为本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统中第一分光组件的结构示意图；
[0024] 图5为本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统中第二分光组件的结构示意图。
具体实施方式
[0025] 如图1至图3所示一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统的具体实施方式，总体上包括第一恒温箱1、第二恒温箱2以及设置于第一恒温箱1和第二恒温箱2之间的三维旋转支架3。让第一恒温箱1在前端壁上设置光学玻璃窗11，在第一恒温箱1中设置激光发射单元4和回波信号接收单元5；并在第二恒温箱2中设置信号采集单元6、信号处理与显示单元7和电源。激光发射单元4用于发射激光束，回波信号接收单元5用于接收回波光信号并将回波光信号转换为回波电信号，信号采集单元6用于采集回波电信号，信号处理与显示单元7用于对回波电信号进行处理、显示和存储。让第一恒温箱1通过三维旋转支架3实现三维立体扫描，让激光发射单元4和电源通过设置于第一恒温箱1和第二恒温箱2之间的电源线8连接，让回波信号接收单元5和信号采集单元6通过设置于第一恒温箱1和第二恒温箱2之间的信号线9连接，让信号采集单元6和信号处理与显示单元7电连接，并使激光发射单元4发射的激光束与回波信号接收单元5接收的回波光信号同轴。
[0026] 通过以上结构设置就构成了一种结构简单、运行可靠、适应性强、监测全面、探测能力强的激光雷达系统。本实用新型通过设置第一恒温箱1和第二恒温箱2，并让激光发射单元4和回波信号接收单元5设置于第一恒温箱1中，让信号采集单元6、信号处理与显示单元7和电源设置于第二恒温箱2中，通过采用小型高精度恒温控制系统，实现了精密光学组件对工作环境的恒温、除湿及防尘要求，解决了现有激光雷达系统无法适应复杂室外工作环境的问题。同时，通过在第一恒温箱1和第二恒温箱2之间设置三维旋转支架3，让第一恒温箱1通过三维旋转支架3实现三维立体扫描，增强了监测的全面性，避免了现有激光雷达系统其探测方向单一的问题，可实现对大气污染物性质的实时、快速、可靠、连续、远程监测。另外，本实用新型通过让激光发射单元4发射的激光束与回波信号接收单元5接收的回波光信号同轴，可有效提高激光雷达系统的探测能力，具有较强的实用性。
[0027] 作为具体实施方式，本实用新型中的激光发射单元4具体包括依次设置的激光发射器41、倍频器42、第一反射镜43和第二反射镜44。其中上述激光发射单元4和电源通过电源线8连接是指激光发射器41与电源连接。回波信号接收单元5具体包括天文望远镜51、光阑52、第一凸透镜53、分光组件54、第二凸透镜55、第三凸透镜56、第一光电倍增管57和第二光电倍增管58。让天文望远镜51、光阑52、第一凸透镜53和分光组件54由前至后依次设置，让第二凸透镜55和第一光电倍增管57依次设置在分光组件54的透射光路上，让第三凸透镜56和第二光电倍增管58依次设置在分光组件54的反射光路上。
[0028] 其中，激光发射器41为高功率
脉冲激光器，其用于发射基频
近红外波段的激光束，倍频器42用于将激光束的波长转变为可见光波段，第一反射镜43和第二反射镜44用于改变激光束的路径，并让第二反射镜44设置于天文望远镜51的前侧，且使经第二反射镜44反射后的激光束从天文望远镜51的光轴向空中发射，以实现激光雷达系统发射与接收同轴，从而提高探测能力的技术目的。天文望远镜51用于接收不同探测距离的回波光信号，光阑52用于调整回波信号接收单元5的视场角，第一凸透镜53用于回波光信号的准直平行，分光组件54用于回波光信号的分光，第二凸透镜55用于对回波光信号经分光组件54分光后的透射分量进行聚焦，第三凸透镜56用于对回波光信号经分光组件54分光后的反射分量进行聚焦，第一光电倍增管57用于将回波光信号的透射分量转换为对应的电信号并输出给信号采集单元6，第二光电倍增管58用于将回波光信号的反射分量转换为对应的电信号并输出给信号采集单元6。本实用新型通过光阑52调整回波信号接收单元5的视场角可减少背景信号的影响，提高信噪比，增强激光雷达系统监测的可靠性。
[0029] 本实用新型中的信号采集单元6具体包括Licel瞬态数据采集器61和触发源探测器62。Licel瞬态数据采集器61用于采集从第一光电倍增管57和第二光电倍增管58输出的回波电信号，并将采集的回波电信号输出给信号处理与显示单元7，触发源探测器62用于探测激光发射器41的散射激光并触发Licel瞬态数据采集器61采集回波电信号。其中，让Licel瞬态数据采集器61同时采用模拟信号和光子计数两种方式采集回波电信号，以保证大动态范围回波电信号采集的可靠性，提高激光雷达系统监测的准确度和
稳定性。上述所述回波信号接收单元5和信号采集单元6通过信号线9连接是指第一光电倍增管57和第二光电倍增管58均分别通过信号线9与Licel瞬态数据采集器61连接。本实用新型中的信号处理与显示单元7为计算机系统，信号处理与显示单元7用于对Licel瞬态数据采集器61输出的回波电信号进行处理、显示和存储。本实用新型中的信号处理与显示单元7主要作用是将专业的激光雷达探测参量反演为用户所需的环境信息变量，以解决现有激光雷达系统用户体验性差的问题。
[0030] 作为优化方案，本具体实施方式让激光发射单元4在倍频器42和第一反射镜43之间还设置了扩束准直器45。通过设置扩束准直器45不仅能增大发射激光束的光斑尺寸，还可有效减少发射激光束发散角，增强激光雷达系统的探测能力。同时，本具体实施方式让回波信号接收单元5设置了电控移位台59，并使分光组件54包括第一分光组件541和第二分光组件542，让第一分光组件541和第二分光组件542并排设置于电控移位台59上。在实用应用中，通过电控移位台59控制使第一分光组件541和第二分光组件542交替处于回波信号接收单元5的光路中。第一分光组件541具体包括偏振分光晶体5411和第一窄带滤光片5412，让第一窄带滤光片5412设置于偏振分光晶体5411的前侧位置。第一分光组件541用于回波光信号的米散射偏振测量，其中，第一窄带滤光片5412用于选择所需要波段的回波光信号同时过滤掉该波段以外的回波光信号，偏振分光晶体5411用于把回波米散射信号的总信号分为水平偏振和垂直偏振两个分量。第二分光组件542具体包括二色镜5421、第二窄带滤光片5422和第三窄带滤光片5423，让第二窄带滤光片5422设置于二色镜5421透射光路的后侧位置，让第三窄带滤光片5423设置于二色镜5421反射光路的后侧位置。第二分光组件542用于回波光信号的拉曼信号测量，其中，二色镜5421用于选择不同的波段范围，即反射(或透射)小于某一特定波段的短波而透射(或反射)大于该波段的长波，第二窄带滤光片5422和第三窄带滤光片5423用于选择所需要波段的回波光信号，同时过滤掉该波段以外的回波光信号。通过以上结构设置实现两组分光组件探测四个变量的技术目的，在使得激光雷达系统小型化的同时，可大大减少成本，提高易控性，降低发生故障的机率。
[0031] 作为具体实施方式，本实用新型中的三维旋转支架3具体包括底座31、水平旋转部件32和垂直旋转部件33，把底座31固定于第二恒温箱2的上侧，让水平旋转部件32设置于底座31上并通过第一电机34控制沿水平面在360°范围内旋转，让垂直旋转部件33设置于水平旋转部件32上并与第一恒温箱1固定连接，让垂直旋转部件33通过第二电机35控制沿垂直面在120°范围内转动。通过以上结构设置，就可让第一恒温箱1中的激光发射单元4和回波信号接收单元5实现三维立体扫描，使监测方向更为全面，避免了现有激光雷达系统探测方向单一的问题，提高了监测的实用性。
[0032] 需要说明的是，本实用新型中第一恒温箱1和第二恒温箱2均设有恒温控制模块，通过恒温控制模块可监测第一恒温箱1和第二恒温箱2中的工作环境状态并控制雷达系统的启停。本实用新型通过设置高精度的恒温控制模块可为激光雷达系统中的光学元器件提供恒温、除湿与防尘等工作环境要求，使激光雷达系统可直接适应复杂的室外条件，并当工作环境不符合要求时关停激光雷达系统，以避免光学元器件损坏，进一步增强了实用性。
[0033] 为帮助本领域技术人员理解本实用新型，下面对本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统的运行过程作简略说明。
[0034] 激光发射单元4向大气中发射高
能量脉冲激光束，激光束与大气中气溶胶之间发
生物理过程并被散射，通过回波信号接收单元5的天文望远镜51接收回波光信号。回波信号接收单元5通过两种分光组件54(即第一分光组件541和第二分光组件542)交替对接收到的后向散射激光信号(即回波光信号)进行精细分光、过滤处理，同时获得532nm波长的垂直偏振(即反射)和平行偏振(即透射)两个分量，以及607nm波长的氮气
拉曼散射信号和660nm波长的水汽拉曼散射信号，并将所得到的上述回波光信号转换成回波电信号，随后将回波电
信号传输给信号采集单元6。信号采集单元6同时采用模拟信号和光子计数两种方式采集回波电信号，并最终输送至信号处理与显示单元7进行处理、显示和存储。本实用新型采用第一分光组件541和第二分光组件542两个分光组件对回波光信号进行精细分光与提取，不仅实现了系统小型化，而且可有效地降成本。默认状态下，通过电控移位台59使第一分光组件541准确置于光路中，以实现米散射偏振测量；当要进行拉曼信号探测时，使用高精度的电控移位台59往前移动，使得第二分光组件542准确置于光路中，即可实现拉曼信号探测。在激光雷达系统探测过程中，根据监测需要设定两个分光组件的交替切换
频率，可实现仅用两组信号探测与数据采集单元探测四个环境参量的技术目的。
[0035] 经过实际应用表明，本实用新型一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统相比于传统的环境监测技术和现有的激光雷达系统，具有功能更强、成本更低、室外工作适应能力更强、反演结果精度更高等技术优势，可实现对大气污染物的全天候、实时、连续、三维立体的精确探测，可用于对污染源及其扩散规律进行远程监测与跟踪，能有效提高环境监测与大气遥感的探测水平。
[0036] 以上实施例仅是对本实用新型的优选实施方式进行的描述，并非对本实用新型
请求保护范围进行的限定，在不脱离本实用新型设计原理和精神的前提下，本领域工程技术人员依据本实用新型的技术方案做出的各种形式的
变形，均应落入本实用新型
权利要求书所确定的保护范围内。
