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用于 气溶胶监测的激光雷达装置

阅读：837发布：2023-01-13

专利汇可以提供用于气溶胶监测的激光雷达装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种用于气溶胶监测的激光雷达装置，该装置包括：外壳和设置在外壳内的激光发射分系统、光电探测分系统、数控采集分系统，其中，激光发射分系统包括激光源和发射光学天线；光电探测分系统包括：接收光学天线、空间滤波器、窄带滤光片、偏振模块以及两个单光子探测器；数控采集分系统包括：多道光子计数器、嵌入式板卡、数据存储单元以及数据传输单元，嵌入式板卡用于执行数据采集、数据存储以及数据传输的控制；多道光子计数器与单光子探测器以及嵌入式板卡连接。通过本发明提供的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置，实现了单机独立运行、数据集成存储和传输，从而实现气溶胶的在线监测。，下面是用于气溶胶监测的激光雷达装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于气溶胶监测的激光雷达装置，其特征在于，包括：外壳和设置在所述外壳内的激光发射分系统、光电探测分系统、数控采集分系统，其中，
所述激光发射分系统包括激光源和发射光学天线，激光源发出的激光经过光学发射天线向大气中发射；
所述光电探测分系统包括：接收光学天线、空间滤波器、窄带滤光片、偏振模块以及两个单光子探测器，所述接收光学天线接收大气中的散射光信号，经过所述空间滤波器滤波和所述窄带滤光片滤除噪声光，然后经过偏振模块进行分光后，分别由两个单光子探测器接收后，将光信号转换为电信号；
所述数控采集分系统包括：多道光子计数器、嵌入式板卡、数据存储单元以及数据传输单元，其中，
所述嵌入式板卡用于执行数据采集、数据存储以及数据传输的控制；
所述多道光子计数器与所述单光子探测器以及嵌入式板卡连接，用于根据所述嵌入式板卡的控制指令，对两个所述单光子探测器输出的电信号进行数据采集，并将采集到的光子计数数据传输给所述嵌入式板卡；
所述数据存储单元与所述嵌入式板卡连接，用于根据所述嵌入式板卡的控制指令，对所述嵌入式板卡输出的检测数据进行存储，所述检测数据至少包括所述光子计数数据；
所述数据传输单元与所述嵌入式板卡连接，用于根据所述嵌入式板卡的控制指令，将所述嵌入式板卡输出的检测数据向外部装置传输。
2.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述检测数据还包括所述激光雷达装置的地理位置信息和所述接收光学天线的方位角信息，所述激光雷达装置还包括位置姿态监控单元，所述位置姿态监控单元包括与所述嵌入式板卡连接的设置在所述外壳内的GPS模块和电子罗盘以及设置在所述外壳外部的GPS天线，所述GPS模块用于通过所述GPS天线接收GPS卫星信号并生成所述激光雷达装置所处的地理位置信息发送给所述嵌入式板卡，所述电子罗盘设置在所述接收光学天线上，用于测定所述接收光学天线的方位角信息并发送给所述嵌入式板卡。
3.根据权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，还包括扫描单元，与所述嵌入式板卡和所述外壳连接，用于根据所述嵌入式板卡的控制指令控制所述外壳在水平和/或垂直方向进行扫描运动。
4.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，水平扫描范围为0-360度，垂直扫描范围0-90度，扫描角度分辨率为0.1度。
5.根据权利要求3所述的激光雷达装置，其特征在于，所述扫描单元为设置在所述外壳底部的二维转台。
6.根据权利要求1至5任一所述的激光雷达装置，其特征在于，所述检测数据还包括外部环境参数，所述激光雷达装置还包括设置在外壳外部的环境参数监控单元，用于对外部环境进行检测确定外部环境参数并发送给所述嵌入式板卡，所述外部环境参数包括环境温度和/或湿度或/和气压信息。
7.根据权利要求6所述的激光雷达装置，其特征在于，还包括温度控制单元，与所述激光源和所述单光子探测器以及所述嵌入式板卡连接，用于根据嵌入式板卡的控制指令对所述外壳内的工作温度进行监控，如果超出预先设定的温度阈值，则关闭所述激光源和所述单光子探测器。
8.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，所述激光发射分系统还包括折转镜，激光源、发射光学天线以及转折镜依次同轴设置；所述光电探测分系统还包括中心反射镜，所述中心反射镜、所述接收光学天线、所述空间滤波器、所述窄带滤光片以及所述偏振模块依次同轴设置，所述光束发射分系统的轴线与所述光电探测分系统的轴线平行，所述激光源发出的激光经过转折镜反射后再通过中心反射镜的反射后，以所述光电探测分系统的轴线同轴的方式，向大气中发射。
9.根据权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，还包括与所述数据传输单元连接的设置在所述外壳外部的数据传输天线，所述数据传输单元通过该数据传输天线将所述检测数据向外部装置传输。
10.根据权利要求3或4所述的激光雷达装置，其特征在于，所述嵌入式板卡具有扫描监测控制模式，在该模式下，所述嵌入式板卡控制所述扫描单元按照预定的方位角作为扫描间隔，在水平和/或垂直方向进行扫描，每转动一个方位角，所述嵌入式板卡控制所述激光源和所述单光子探测器执行进行监测工作，并将获得的检测数据存储到所述数据存储单元。

说明书全文

用于气溶胶监测的激光雷达装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光雷达装置，尤其涉及一种用于气溶胶监测的激光雷达装置。

背景技术

[0002] 激光雷达通过发射光学天线对激光进行准直扩束，发射到大气中，与大气气溶胶粒子相互作用，被散射与吸收，被散射的激光信号被激光雷达的接收光学天线接收，通过反演算法得到大气分子与气溶胶粒子的信息，是灰霾监测与预警不可缺少的技术手段。

[0003] 目前环境监测激光雷达发展迅速，但通常用于科学研究或实验室监测，一般需要与专门的计算机进行连接，而无法独立进行工作，数据集成传输困难，无法实现在线监测，其次目前的环境监测激光雷达系统复杂、体积庞大，无法户外独立运行，限制了其应用区域；亦或对安装环境要求较高，需要为其建立站房，增加了使用成本。

发明内容

[0004] 本发明的实施例的目的在于提供一种用于气溶胶监测的激光雷达以实现单机独立运行、数据集成存储和传输，从而能够实现气溶胶的在线监测。

[0005] 为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

[0006] 一种用于气溶胶在线监测的激光雷达装置，包括：外壳和设置在所述外壳内的激光发射分系统、光电探测分系统、数控采集分系统，其中，

[0007] 所述光束发射分系统包括激光源和发射光学天线，激光源发出的激光经过光学发射天线向大气中发射。

[0008] 所述光电探测分系统包括：接收光学天线、空间滤波器、窄带滤光片、偏振模块以及两个单光子探测器，所述接收光学天线接收大气中的散射光信号，经过所述空间滤波器滤波和所述窄带滤光片滤除噪声光，然后经过偏振模块进行分光后，分别由两个单光子探测器接收后，将光学信号转换为电信号。

[0009] 所述数控采集分系统包括：多道光子计数器、嵌入式板卡、数据存储单元以及数据传输单元，其中，

[0010] 所述嵌入式板卡用于执行数据采集、数据存储以及数据传输的控制。

[0011] 所述多道光子计数器与所述单光子探测器以及嵌入式板卡连接，用于根据嵌入式板卡的控制指令，对两个所述单光子探测器输出的电信号进行数据采集，并将采集到的光子计数数据传输给所述嵌入式板卡。

[0012] 所述数据存储单元与所述嵌入式板卡连接，用于根据所述嵌入式板卡的指令，对所述嵌入式板卡输出的检测数据进行存储，所述检测数据至少包括所述光子计数数据。

[0013] 所述数据传输单元与所述嵌入式板卡连接，用于根据所述嵌入式板卡的指令，将所述嵌入式板卡输出的检测数据向外部装置传输。

[0014] 通过本发明提供的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置，实现了单机独立运行、数据集成存储和传输，从而实现气溶胶的在线监测。附图说明

[0015] 图1为本发明实施例的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置的结构框图之一。

[0016] 图2为本发明实施例的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置的结构框图之二。

[0017] 图3为本发明实施例的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置的工作流程示意图。

[0018] 图4为本发明实施例的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置的详细结构示意图。

[0019] 附图标记说明：

[0020] 1-激光源；2-发射光学天线；3-准直镜；4-窄带滤光片；5-偏振模块；6-单光子探测器；7-多道光子计数器；8-GPS模块；9-嵌入式板卡；10-电子罗盘；11-电源；12-数据传输单元；13-温度控制单元；14-接收光学天线；15-扫描单元；16-外壳；17-折转镜；18-中心反射镜；19-空间滤波器；20-数据存储单元；21-GPS天线；22-数据传输天线；
23-环境参数监控单元。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明实施例用于气溶胶监测的激光雷达装置进行详细描述。

[0022] 实施例一

[0023] 图1为本发明实施例的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置的结构框图之一，图4为本发明实施例的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置的详细结构示意图。参照图1和图4，该装置包括外壳16以及设置在外壳16内的激光发射分系统210、光电探测分系统220及数控采集分系统230。

[0024] 激光发射分系统210包括激光源1和发射光学天线2，激光源1发出的激光经过发射光学天线2向大气中发射。发射光学天线2口径优选为45mm，可采用三片镀有532nm增透膜，双面反射率<1％的透镜组成的望远系统。整体结构上可以采用伽利略望远镜结构。作为一种优选实施例，激光发射分系统210还进一步包括折转镜17，且激光源1、发射光学天线2以及转折镜17依次同轴设置。

[0025] 光电探测分系统220包括接收光学天线14、空间滤波器19、窄带滤光片4、偏振模块5以及两个单光子探测器6。进一步地，接收光学天线14接收大气中的散射光信号(由激光源经过光学发射天线向大气中发射后，经大气中的气溶胶分子散射后的光信号)，经过空间滤波器19滤波和窄带滤光片4滤除噪声光，然后经过偏振模块5进行分光后，分别由前述两个单光子探测器6接收，将光信号转换为电信号。优选地，接收光学天线14包括主镜与次镜，且均镀有高反射介质膜，反射率>99％，接收光学天线14可以为焦距为1200mm，口径为160mm。优选地，光电探测分系统220还可以包括中心反射镜18，中心反射镜18、接收光学天线14、空间滤波器19、窄带滤光片4以及偏振模块5依次同轴设置。

[0026] 在本实施例中，发射光学天线2与接收光学天线14可以连接在一起成为一体结构，发射光通过折转镜17和中心反射镜18实现发射光轴与接收光轴同轴(并将两轴的安装误差控制在0.02mrad以内)；光束发射分系统210的轴线与光电探测分系统220的轴线平行，激光源1发出的激光经过转折镜17反射后再通过中心反射镜18的反射后，以光电探测分系统220的轴线同轴的方式，向大气中发射。

[0027] 数控采集分系统230包括多道光子计数器7、嵌入式板卡9、数据存储单元20以及数据传输单元12。其中，嵌入式板卡9用于执行数据采集、数据存储以及数据传输的控制，例如，嵌入式板卡9用USB 接口与多道光子计数器7连接，用于控制多道光子计数器7对单光子探测器6输出的电信号进行数据采集，并再获取多道光子计数器7采集的数据；嵌入式板卡9通过数据线(例如，SATA数据线)与数据存储单元20连接，控制数据存储单元20存储前述多道光子计数器7采集的数据；嵌入式板卡9还可通过接口(例如，PCIE接口)与数据传输单元12连接，控制数据传输。嵌入式板卡9具体可以采用例如单片机、DSP等通用芯片，通过在芯片中预装操作系统或者控制程序来实现对激光雷达装置的检测操作的整体控制，另外，嵌入式板卡9也可以采用例如CPLD、FPGA等可编程逻辑控制器件等以硬件的方式来实现全部的控制逻辑。嵌入式板卡9包括但不限于，处理器频率为1.8GHZ，缓存为4GB，且其具备USB、RS232、TCP/IP接口等。

[0028] 此外，多道光子计数器7与单光子探测器6以及嵌入式板卡9连接(例如，可以通过USB接口与嵌入式板卡连接)，其根据嵌入式板卡9的控制指令，对两个单光子探测器6输出的电信号进行采集，并将采集到的光子计数数据传输给嵌入式板卡9。

[0029] 数据存储单元20与嵌入式板卡9连接(例如，可以通过SATA数据线与嵌入式板卡9连接)，其根据嵌入式板卡9的控制指令，对嵌入式板卡9输出的检测数据进行存储，该检测数据至少包括光子计数数据。

[0030] 数据传输单元12与嵌入式板卡9连接(例如，可以通过PCIE接口与嵌入式板卡9连接)，其根据嵌入式板卡9的控制指令，对嵌入式板卡输出的检测数据向外部装置传输。
优选地，数据传输单元12还与设置在外壳外部的数据传输天线22连接，通过该数据传输天线22将检测数据向外部装置传输。

[0031] 在本实施例中，嵌入式板卡9作为核心的控制单元，控制整个装置的数据采集、存储以及传输，使得激光雷达装置能做作为一个独立的单元工作，能够根据环境检测的需要进行灵活设置。

[0032] 实施例二

[0033] 图2示出了本发明实施例的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置的结构框图之二，图4为本发明实施例的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置的整体结构示意图。参照图2和图4，在图1所示的激光雷达装置的基础上，该装置还可以包括位置姿态监控单元240，位置姿态监控单元240具体包括与嵌入式板卡9连接的设置在外壳内的GPS模块8和电子罗盘10以及设置在外壳外部的GPS天线21。相应的，检测数据还可以包括了激光雷达装置的地理位置信息和接收光学天线的方位角信息。GPS模块8用于通过GPS天线21接收GPS卫星信号并生成激光雷达装置所处的地理位置信息发送给嵌入式板卡9，GPS模块8与GPS天线21可以通过BNC线缆连接，从而实现GPS卫星信号数据的传输。电子罗盘10设置在接收光学天线14上，用于测定接收光学天线14的方位角信息并发送给嵌入式板卡9。
在本实施例中，GPS模块8与电子罗盘10均可以通过RS232与嵌入式板卡9连接。

[0034] 在本实施例中，通过在激光雷达装置中设置位置姿态监控单元240，可以在采集光子计数数据的同时还同步记录对应的激光雷达装置的地理位置信息和接收光学天线的方位角信息，从而为后续的数据分析提供更加精确的数据信息。

[0035] 进一步地，在上述装置结构的基础上，本发明实施例的激光雷达装置还可以包括扫描单元15。扫描单元15与嵌入式板卡9和外壳16连接，用于根据嵌入式板卡9的控制指令，控制外壳16在水平和/或垂直方向进行扫描运动。根据本发明的优选实施例，扫描单元15可以为设置在外壳16底部的二维转台，其水平扫描范围可以设定为0-360度，垂直扫描范围可以设置为0-90度，扫描角度分辨率为0.1度。基于扫描单元15，嵌入式板卡9可以具有扫描监测控制模式，在该模式下，嵌入式板卡9控制扫描单元15按照预定的方位角作为扫描间隔，在水平和/或垂直方向进行扫描，每转动一个方位角，嵌入式板卡9控制激光源1和单光子探测器6执行进行监测工作，并将获得的检测数据存储到数据存储单元20。检测数据中也可以包括电子罗盘10检测到的精确的接收光学天线的方位角信息。

[0036] 进一步地，激光雷达装置还可以包括环境参数监控单元23，设置在外壳16外部，用于对外部环境进行检测确定外部环境参数(可以作为检测数据之一)并发送给嵌入式板卡9，其中，外部环境参数包括环境温度和/或湿度或/和气压信息。相应地，上述检测数据还可以包括该外部环境参数。

[0037] 进一步地，激光雷达装置还可以包括与激光源1和单光子探测器6以及嵌入式板卡9连接的温度控制单元13(图中未示出该连接关系)，其根据嵌入式板卡9的控制指令对外壳16内的工作温度进行监控，如果工作温度超出预先设定的温度阈值，则关闭激光源1和单光子探测器6，直到工作温度在正常范围内为止。具体地，温度控制单元13可以包括温度传感器以及控制电路等。

[0038] 实施例三

[0039] 在本实施例中，将详细介绍一下激光雷达装置的工作流程，图3为本发明实施例的用于气溶胶在线监测的激光雷达装置的工作流程示意图。基于上述实施例的结构，激光雷达装置可以在嵌入式板卡9的控制下，采用固定检测的工作模式和扫描检测的工作模式这两种工作模式进行检测。其具体的工作流程如下：

[0040] 步骤S301：系统自检。装置启动后，通过嵌入式板卡9控制激光雷达装置进入系统自检阶段，系统自检主要包括工作温度检测和单元状态检测。其中，工作温度检测包括：启动温度控制单元13进行温度检测，判断装置内的温度是否在正常的工作范围内，如果温度处于正常范围，则进行后续步骤，如果没有再正常的工作范围内，则不进行后续操作，并使所述激光源和所述单光子探测器处于关闭状态，整个装置停留在系统自检的阶段，并继续进行温度检测，直到温度变为正常范围后，再进行后续步骤。单元状态检测主要是确定各单元(指上述的与嵌入式板卡9连接的各个单元)的状态是否正常，如果检测到状态不正常的单元，则发出报警信号并关闭相应的单元，如果所有单元的状态均处于正常状态，则继续执行后续步骤。在此，工作温度检测和单元状态检测可以以任一顺序先后执行也可以同时执行。

[0041] 步骤S302：系统参数配置，并开启数控采集分系统230。在该步骤中，嵌入式板卡9读取激光雷达装置的配置参数(预先存储在外置或者内置的存储器中)，进行系统配置。
其中，配置参数可以为工作模式(固定检测的工作模式和扫描检测的工作模式)标识、采样间隔、数据存储格式等等。

[0042] 步骤S303：进行数据采集。在该步骤中，嵌入式板卡9控制激光源发射激光，并使多道光子计数器7与单光子探测器6进入工作状态，进行数据采集。

[0043] 步骤S304：数据存储。嵌入式板卡9将多道光子计数器7采集来的数据实时存入到数据存储单元20中。

[0044] 步骤S305：数据传输。嵌入式板卡9可以将存储的数据或者实时采集的数据通过数据传输单元12向外部设备发送。

[0045] 步骤S306：判断检测流程是否结束，如果是则执行步骤S307，如果否，则返回到系统自检的步骤中。例如，在设定为扫描检测的工作模式下，在完成上述步骤S301至S305的一轮检测后，转到步骤S307,继续进行下一轮的数据检测，即跳转到步骤S301。如果是固定检测的工作模式，则判定为检测流程结束，转到步骤S308。

[0046] 步骤S307：控制扫描单元将激光雷达装置转动到下一个方位角，并执行步骤S301。

[0047] 步骤S308：关闭各单元，然后结束检测流程。

[0048] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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