一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统技术方案

本实用新型专利技术公开了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、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；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电源线连接，回波信号接收单元和信号采集单元通过信号线连接，信号采集单元和信号处理与显示单元通过电线连接。本实用新型专利技术具有结构简单、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。

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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。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。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。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。
技术实现思路
本技术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。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，本技术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。进一步的，本技术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；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。进一步的，本技术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。进一步的，本技术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。进一步的，本技术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。进一步的，本技术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。进一步的，本技术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。进一步的，本技术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，第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，其特征在于，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)，第一恒温箱(1)的前端壁上设有光学玻璃窗(11)，第一恒温箱(1)中设有激光发射单元(4)和回波信号接收单元(5)；第二恒温箱(2)中设有信号采集单元(6)、信号处理与显示单元(7)和电源；所述激光发射单元(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；其中，第一恒温箱(1)通过三维旋转支架(3)实现三维立体扫描，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，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，信号采集单元(6)和信号处理与显示单元(7)通过电线连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，其特征在于，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)，第一恒温箱(1)的前端壁上设有光学玻璃窗(11)，第一恒温箱(1)中设有激光发射单元(4)和回波信号接收单元(5)；第二恒温箱(2)中设有信号采集单元(6)、信号处理与显示单元(7)和电源；所述激光发射单元(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；其中，第一恒温箱(1)通过三维旋转支架(3)实现三维立体扫描，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，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，信号采集单元(6)和信号处理与显示单元(7)通过电线连接。2.按照权利要求1所述的一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射单元(4)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)，所述激光发射单元(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；所述回波信号接收单元(5)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)，其中，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，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，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；激光发射器(41)用于发射激光束，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，且使经第二反射镜(44)反射后的激光束与天文望远镜(51)的光轴同轴；天文望远镜(51)用于接收回波光信号，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)。3.按照权利要求2所述的一种用于环境监测的三维扫描式多参量激光雷达系统，其特征在于，所述信号采集单元(6)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...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄忠伟，周天，黄建平，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：新型
国别省市：甘肃;62