基于铁路网路的激光雷达大气观测系统技术方案

一种基于铁路网路的激光雷达大气观测系统，包括火车平台、激光雷达模块、GPS定位模块和数据处理模块，其中：火车平台，按铁路网路限定的轨道运动；激光雷达模块，搭载于所述火车平台上，用于探测大气参数；GPS定位模块，设置于所述火车平台上，用于实时获取所述火车平台的位置信息；数据处理模块用于结合探测到的大气参数和获取的位置信息得到大气观测数据，实现被铁路网路所覆盖地区的大气观测。本发明专利技术基于铁路网构成的大气观测系统将对大气污染防治，气候、气象学研究，大气预报，增速国内经济和提高国防军事具有重大意义。

Laser Radar Atmospheric Observation System Based on Railway Network

【技术实现步骤摘要】
基于铁路网路的激光雷达大气观测系统
本专利技术涉及激光雷达，尤其涉及一种基于铁路网路的激光雷达大气观测系统。
技术介绍
激光雷达是目前实现大气参数遥感的有效手段，其通过向大气发射激光脉冲，激光与大气相互作用后，大气后向散射信号通过光学望远镜收集，并输入光学接收机，经光电探测和数据处理，获得大气参数信息。激光雷达通过借助不同的平台，应用范围不断拓展。目前的激光雷达系统包括地基、车载、舰载、机载、球载、星载等，特别是随着近年来星载激光雷达的发展，激光雷达的观测已从区域走向全球。在大区域大气观测中，目前主要是基于车载和星载的激光雷达。但是，星载激光雷达一方面价格高昂，另外一方面，大气参数探测的横向空间分辨低。而车载平台，在规划线路时，容易受到城市交通的影响，运行成本高。因此，急需发展一种高效的激光雷达平台，以实现大区域范围内大气参数的高效、高重复的采样探测。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种基于铁路网路的激光雷达大气观测系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于铁路网路的激光雷达大气观测系统，包括火车平台、激光雷达模块、GPS定位模块和数据处理模块，其中：火车平台，按铁路网路限定的轨道运动；激光雷达模块，搭载于所述火车平台上，用于探测大气参数；GPS定位模块，设置于所述火车平台上，用于实时获取所述火车平台的位置信息；数据处理模块，用于结合激光雷达模块探测到的大气参数和GPS定位模块获取的位置信息得到大气观测数据，实现被铁路网路所覆盖地区的大气观测。基于上述技术方案，本专利技术的基于铁路网路的激光雷达大气观测系统的有益效果在于：(1)通过利用火车平台搭载激光雷达，从而编织了一个大气观测系统，这个大气观测系统具有覆盖范围大，更新速率高，数据稳定高效，多大气参数探测的特点；(2)利用本专利技术获取的大气观测数据，结合大数据技术，一方面可修正现有大气模型，另外一方面，通过修正的大气模型可预报铁路网所覆盖城市的大气状态，对大气污染防治，气候、气象学研究，大气预报，增速国内经济和提高国防军事具有重大意义。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于铁路网路的激光雷达的结构框图；图2是本专利技术实施例1提供的搭载激光雷达模块的火车平台的结构示意图。具体实施方式本专利技术公开了一种基于铁路网路的激光雷达大气观测系统，特别是基于目前高速发展的高铁系统，实现对铁路沿线范围内城市的大气环境监测，并结合大数据和大气模型，对大气和气候状况进行预报。我国高铁经过十年发展，其里程已达2.9万公里，超过世界高铁总里程的三分之二，成为世界上高铁里程最长、运输密度最高、成网运营场景最复杂的国家。随着我国高铁速度等级的不断上升，中国高铁已覆盖全国180个地级市，370余个县级城市，我国34个省级行政区划中，除了西藏和澳门以外，其他省市区都已经开通了高铁。并且到目前为止，尚未发现基于铁路网路的激光雷达的专利资料和文献。因此，利用我国铁路覆盖区域广，运输密度高，成网运营的特点，基于铁路网路的激光雷达大气观测系统建设，将实现对铁路沿线城市的大气环境的高效监测和预报。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。在一示例性实施例中，本专利技术提供了一种基于铁路网路的激光雷达大气观测系统，如图1所示，其包括：火车平台，按铁路网路限定的轨道运动；激光雷达模块，搭载于火车平台上，用于探测大气参数，例如大气风场、温度、气溶胶密度、分子密度、退偏振比和各类气体成分等参数中的一种或多种；GPS定位模块，设置于火车平台上，用于实时获取火车平台的位置信息；数据处理模块，用于结合激光雷达模块探测到的大气参数和GPS定位模块获取的位置信息得到大气观测数据，实现被铁路网路所覆盖地区的大气观测。优选的，该激光雷达大气观测系统还包括姿态控制模块，设置于火车平台上，用于确保激光雷达模块的方向指向性。所述的激光雷达模块为常规结构，包括激光发射单元、回波接收单元以及信号处理单元，其中：激光发射单元，用于发射一特定方向指向的激光至大气中；回波接收单元，用于接收所述激光被大气散射后的回波信号，并对所述回波信号进行滤波处理；信号处理单元，用于对滤波后的回波信号进行处理，获取大气参数数据。更具体地，激光发射单元包括激光器和扩束器，其中：激光器用于输出激光；扩束器用于压缩所述激光器输出的激光的发散角并发射至大气中；回波接收单元包括望远镜和滤波器，其中：望远镜用于接收所述激光被大气散射后的回波信号；滤波器用于对所述回波信号进行滤波；信号处理单元包括光学接收机、探测器、采集卡以及处理器，其中：光学接收机用于从滤波后的所述回波信号中提取光学参数的光信号；探测器用于对所述光学接收机提取的光信号进行探测，并转为电信号输出；采集卡用于采集所述探测器输出的电信号；处理器用于对所述采集卡输出的电信号进行处理得到大气参数信息。作为优选，火车平台包括火车控制单元，用于在火车接近站点时发出第一信号；以及在火车离开站点时发出第二信号；激光雷达模块还包括激光雷达控制单元，用于在所述第一信号的触发下，控制激光发射单元停止激光发射；以及在第二信号的触发下，控制激光发射单元发射激光。如此可以减小功耗，增加激光器的使用年限。其中，激光雷达控制单元还包括门控电路，连接至探测器，用于精确控制探测器的开关门时间，以防止激光雷达探测到硬目标时，引起探测器饱和；具体地，当回波信号的计数率大于探测器的饱和计数率时，或者大气探测的饱和光功率时，认为是硬目标的回波信号。所述的激光雷达模块可采用测风激光雷达、气溶胶激光雷达、云高云厚激光雷达、大气退偏振激光雷达、测温激光雷达、大气成分探测激光雷达和/或共振荧光激光雷达等。这些激光雷达可采用已知结构，不同激光雷达的区别在于，由于探测的大气参数不同，结构稍有差异。一方面如上所述，采用GPS定位模块可对激光雷达所处的位置进行跟踪和记录，另一方面，优选的，采用GPS定位模块还可记录火车平台的姿态信息，利用该姿态信息对激光雷达模块的方向指向性进行修正和补偿。该火车平台例如为在轨运行的各种普通客运列车、货运列车、动车、高铁、城际轻轨、磁悬浮列车等，其中优选为高铁，利用高铁准点率高、速度快、平台平稳的特点，实现大气参数的高效和稳定采集。该火车平台对应于激光雷达模块的安装位置处设置有发射窗口和/或接收窗口，如图2所示，并在该发射窗口和/或接收窗口镀有特定波长的增透膜，从而保障激光雷达的发射和接收的高效率。作为优选，该数据处理模块还可以通过结合大数据技术，利用获得的大气观测数据以及大气模型，对铁路沿途城市的大气评估和预报，以及进一步地，通过无线网络形成数据汇总，实现对铁路沿途的一片区域或全国的大气评估和预报。综上所述，本专利技术的一种基于铁路网路的激光雷达大气观测系统，通过利用火车平台搭载大气激光雷达，从而编织了一个大气观测系统，这个大气观测系统具有覆盖范围大，更新速率高，数据稳定高效，多大气参数探测的特点，并且结合大数据和高速计算技术，一方面可修正大气模型，另外一方面，通过修正的大气模型可预报铁路网所覆盖城市的大气状态，对大气污染防治，气候、气象学研究，大气预报，增速国内经济和提高国防军事具有重大意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铁路网路的激光雷达大气观测系统，其特征在于，包括火车平台、激光雷达模块、GPS定位模块和数据处理模块，其中：火车平台，按铁路网路限定的轨道运动；激光雷达模块，搭载于所述火车平台上，用于探测大气参数；GPS定位模块，设置于所述火车平台上，用于实时获取所述火车平台的位置信息；数据处理模块，用于结合激光雷达模块探测到的大气参数和GPS定位模块获取的位置信息，得到大气观测数据，实现被铁路网路所覆盖地区的大气观测。

【技术特征摘要】
1.一种基于铁路网路的激光雷达大气观测系统，其特征在于，包括火车平台、激光雷达模块、GPS定位模块和数据处理模块，其中：火车平台，按铁路网路限定的轨道运动；激光雷达模块，搭载于所述火车平台上，用于探测大气参数；GPS定位模块，设置于所述火车平台上，用于实时获取所述火车平台的位置信息；数据处理模块，用于结合激光雷达模块探测到的大气参数和GPS定位模块获取的位置信息，得到大气观测数据，实现被铁路网路所覆盖地区的大气观测。2.根据权利要求1所述的激光雷达大气观测系统，其特征在于，所述激光雷达模块包括激光发射单元、回波接收单元以及信号处理单元，其中：激光发射单元，用于发射一特定方向指向的激光至大气中；回波接收单元，用于接收所述激光被大气散射后的回波信号，并对所述回波信号进行滤波处理；信号处理单元，用于对滤波后的回波信号进行处理，获取大气参数数据。3.根据权利要求2所述的激光雷达大气观测系统，其特征在于：所述火车平台包括火车控制单元，用于在火车接近站点时发出第一信号；以及在火车离开站点时发出第二信号；所述激光雷达模块还包括激光雷达控制单元，用于在所述第一信号的触发下，控制所述激光发射单元停止激光发射；以及在所述第二信号的触发下，控制所述激光发射单元发射激光。4.根据权利要求3所述的激光雷达大气观测系统，其特征在于：所述信号处理单元包括光学接收机、探测器、采集卡以及处理器，其中：光学接收机，用于从所述滤波后的回波信号中提取光学参数的光信号；探测器，用于接收所述光学接收机提取的光信号，并转为电信号输出；采集卡，用于采集所述探测器输出的电信号；处理器，用于对所述采集卡输出的电信号进行处理得到大气参数信息；所述激光雷达控制单元包括门控电路，连接至所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦贤康，上官明佳，夏海云，薛向辉，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34