本發(fā)明屬于大氣污染物技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及大氣污染物空間分布激光主動探測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

大氣污染物的時空分布及其濃度與污染物排放源的分布、排放量及地形、地貌、氣象等條件密切相關(guān)。氣象條件如風(fēng)向、風(fēng)速、大氣湍流、大氣穩(wěn)定度總在不停的改變，故污染物的稀釋與擴散情況也不斷變化。同一污染源對同一地點在不同時間所造成的地面空氣污染濃度往往相差數(shù)十倍；同一時間不同地點也相差甚大。一次污染物和二次污染物濃度在一天之內(nèi)也不斷地變化。一次污染物因受逆溫層及氣溫、氣壓等限制，清晨和黃昏濃度較高，中午較低；二次污染物如光化學(xué)煙霧，因在陽光照射下才能形成，故中午濃度較高，清晨和夜晚濃度低。風(fēng)速大，大氣不穩(wěn)定，則污染物稀釋擴散速度快，反之，稀釋擴散慢，濃度變化也慢。污染源的類型、排放規(guī)律及污染物的性質(zhì)不同，其空間分布特點也不同。

激光雷達(dá)是以激光為搜索光源，通過探測激光與被探測無相互作用的光波信號來遙感測量的.使用振動拉曼技術(shù)進(jìn)行測量的激光雷達(dá)技術(shù)即為拉曼激光雷達(dá)，主要用于大氣遙感測量。拉曼激光雷達(dá)屬于遙感技術(shù)的一種。激光雷達(dá)作為一種主動遙感探測技術(shù)和工具已有近50年的歷史，目前廣泛用于地球科學(xué)和氣象學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)、生物學(xué)與生態(tài)保持、軍事等領(lǐng)域。其中，傳統(tǒng)意義上的激光雷達(dá)主要用于陸地植被監(jiān)測、激光大氣傳輸、精細(xì)氣象探測、全球氣候預(yù)測、海洋環(huán)境監(jiān)測等。隨著激光器技術(shù)、精細(xì)分光技術(shù)、光電檢測技術(shù)和計算機控制技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雷達(dá)在遙感探測的高度、空間分辨率、時間上的連續(xù)監(jiān)測和測量精度等方面具有獨到的優(yōu)勢。

現(xiàn)有技術(shù)的激光雷達(dá)探測大氣的基本原理即是利用激光與大氣相互作用的機制。激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)光束準(zhǔn)直(有的情況下需要擴束)后發(fā)射到大氣中，激光在大氣中傳輸遇到空氣分子、氣溶膠等成分便會發(fā)生散射、吸收等作用。散射中的小部分能量——后向散射光落入接收望遠(yuǎn)鏡視場被接收。被接收到的后向散射光傳輸?shù)焦怆娞綔y器(通常為PMT)被轉(zhuǎn)換成電信號(一般為電流信號)，實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)一系列的運算放大，最終被顯示、記錄。對于不同高度的信號，利用激光信號傳輸時間間隔來記錄，光速c已知，便可換算成距離。如果接收到的是回波點數(shù)，乘以系統(tǒng)距離分辨率即得高度。這樣就獲得了激光雷達(dá)P-z數(shù)據(jù)，利用激光雷達(dá)方程結(jié)合相關(guān)算法便可反演出相關(guān)大氣特性，如大氣垂直消光廓線、氣體濃度、成分以及溫度廓線等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供大氣污染物空間分布激光主動探測系統(tǒng)及方法，通過針對激光雷達(dá)探測大氣顆粒物的設(shè)備設(shè)計一種空間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，便于隨車攜帶，并且采用多角度、循環(huán)探測大氣空間的污染物，通過調(diào)節(jié)一些列等分的傾斜角度，使得對大氣空間的一圓環(huán)形區(qū)域進(jìn)行大氣污染物的探測，解決了現(xiàn)有的激光雷達(dá)探測準(zhǔn)確性低、易受外界因素影響等問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明為大氣污染物空間分布激光主動探測系統(tǒng)，包括控制單元、激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號探測和采集單元、空間轉(zhuǎn)換單元；所述激光發(fā)射單元包括激光器、二倍頻晶體、三倍頻晶體、起偏器、擴束器、發(fā)射器，激光器的控制端接入控制單元，三倍頻晶體的出射光經(jīng)過全反鏡射入起偏器，擴束器的出射光經(jīng)過發(fā)射器中兩光學(xué)反射鏡反射后垂直發(fā)射至大氣；所述光學(xué)接收單元包括光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡；所述信號探測和采集單元包括數(shù)據(jù)采集器和探測器電源，所述數(shù)據(jù)采集器的輸出端電連接至控制單元；所述空間轉(zhuǎn)換單元包括水平承載機構(gòu)和垂直擺動機構(gòu)；所述垂直擺動機構(gòu)固定在水平承載機構(gòu)上，所述垂直擺動機構(gòu)的擺動幅度在0°-25°。

進(jìn)一步地，所述水平承載機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)支撐和第一底座；所述回轉(zhuǎn)支撐固定在第一底座上，所述第一底座為一圓形金屬板。

進(jìn)一步地，所述所述垂直擺動機構(gòu)包括第二底座和第三底座；

所述第二底座與第三底座通過鉸座連接，所述鉸座位于第二底座的底部。

所述第二底座與第三底座之間還連接有伸縮機構(gòu)；所述伸縮機構(gòu)位于第二底座的一側(cè)，通過伸縮機構(gòu)調(diào)節(jié)第二底座的水平傾斜角度，從而使激光發(fā)射單元的激光器發(fā)射的光線發(fā)生偏移，進(jìn)行對空間的局部掃面，并且使得光學(xué)接收單元與激光器同步，接收后散射的光信號。

進(jìn)一步地，所述伸縮機構(gòu)采用電動伸縮桿；所述電動伸縮桿的一端通過鉸接的方式固定在第二底座上，所述電動伸縮桿的一端通過鉸接的方式固定在第三底座上；所述第二底座上固定有保護罩；所述保護罩為一螺旋鋼帶保護套。

大氣污染物空間分布激光主動探測方法，包括如下步驟：

步驟一，控制單元根據(jù)控制軟件設(shè)置參數(shù)，通過串口控制激光器工作，激光器出射單脈沖激光，依次經(jīng)過二倍頻晶體、三倍頻晶體以及起偏器，最終出射單脈沖355nm脈沖激光，出射的355nm脈沖激光經(jīng)過全反鏡反射進(jìn)3倍率擴束鏡，擴束后的355nm脈沖激光被發(fā)射器內(nèi)的兩塊二維光學(xué)調(diào)整架上光學(xué)反射鏡垂直發(fā)射至大氣中；

步驟二，通過光學(xué)接收單元中的光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡收集反演大氣溫度、水汽和氣溶膠的光學(xué)特征波長大氣后向散射光信號；

步驟三，分別步驟二中的光信號會聚透鏡會聚至直徑8mm的光電倍增管陰極面上，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；光電倍增管電信號通過BNC信號線輸入給數(shù)據(jù)采集器；

步驟四，在數(shù)據(jù)采集器計數(shù)到控制軟件設(shè)置的采樣數(shù)后，控制單元通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)采集器緩存中的測量原始數(shù)據(jù)讀取到本地硬盤中，同時通過數(shù)據(jù)反演軟件數(shù)據(jù)處理得到大氣溫度、水汽和氣溶膠光學(xué)特性垂直廓線并展現(xiàn)在顯示屏上；

步驟五，通過給控制單元發(fā)出空間轉(zhuǎn)換測量命令，而后控制單元將空間轉(zhuǎn)換命令通過串口發(fā)給空間轉(zhuǎn)換單元；

步驟六，在空間轉(zhuǎn)換單元接收到空間轉(zhuǎn)換命令后，首先將垂直擺動機構(gòu)轉(zhuǎn)動一角度α₀；然后啟動水平承載機構(gòu)，使得垂直擺動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周；

步驟七，再依次將垂直擺動機構(gòu)轉(zhuǎn)動α₁、α₂、……，α_n。

進(jìn)一步地，所述步驟六，在空間轉(zhuǎn)換單元接收到空間轉(zhuǎn)換命令后，首先將垂直擺動機構(gòu)轉(zhuǎn)動一角度α₀；然后啟動水平承載機構(gòu)，使得垂直擺動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周；其中，0.5°＜α₀＜1°。

進(jìn)一步地，所述步驟七，再依次將垂直擺動機構(gòu)轉(zhuǎn)動α₁、α₂、……，α_n，其中n為1，2,……，25；其中，0°＜α＜1°。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明通過針對激光雷達(dá)探測大氣顆粒物的設(shè)備設(shè)計一種空間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，用于提高該激光雷達(dá)探測的范圍和準(zhǔn)確性，該探測機構(gòu)簡單，易于控制，便于隨車攜帶，具有很好的地理區(qū)域適應(yīng)性。

2、本發(fā)明通過以激光雷達(dá)探測大氣顆粒物為基礎(chǔ)，采用多角度、循環(huán)探測大氣空間的污染物，通過調(diào)節(jié)一些列等分的傾斜角度，使得對大氣空間的一圓環(huán)形區(qū)域進(jìn)行大氣污染物的探測，具有探測范圍廣泛，準(zhǔn)確性高，避免外界溫度、風(fēng)等因素的影響。

當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明的大氣污染物空間分布激光主動探測系統(tǒng)圖；

圖2為空間轉(zhuǎn)換單元的結(jié)構(gòu)示圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1所示，本發(fā)明為大氣污染物空間分布激光主動探測系統(tǒng)，包括控制單元、激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號探測和采集單元、空間轉(zhuǎn)換單元；激光發(fā)射單元包括激光器、二倍頻晶體、三倍頻晶體、起偏器、擴束器、發(fā)射器，激光器的控制端接入控制單元，三倍頻晶體的出射光經(jīng)過全反鏡射入起偏器，擴束器的出射光經(jīng)過發(fā)射器中兩光學(xué)反射鏡反射后垂直發(fā)射至大氣；光學(xué)接收單元包括光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡；信號探測和采集單元包括數(shù)據(jù)采集器和探測器電源，數(shù)據(jù)采集器的輸出端電連接至控制單元；空間轉(zhuǎn)換單元包括水平承載機構(gòu)和垂直擺動機構(gòu)；垂直擺動機構(gòu)固定在水平承載機構(gòu)上，垂直擺動機構(gòu)的擺動幅度在0°-25°。

專利文獻(xiàn)ZL201510254035.2《單波長四拉曼激光雷達(dá)探測系統(tǒng)及探測方法》公開了一種通過固定式單區(qū)域的單波長四拉曼激光雷達(dá)探測大氣溫度、水汽和氣溶膠的技術(shù)。

其中如圖2所示，水平承載機構(gòu)包括回轉(zhuǎn)支撐1和第一底座3；回轉(zhuǎn)支撐1固定在第一底座3上，第一底座3為一圓形金屬板。垂直擺動機構(gòu)包括第二底座4和第三底座7；第二底座4與第三底座7通過鉸座6連接，鉸座6位于第二底座4的底部。第二底座4與第三底座7之間還連接有伸縮機構(gòu)2；伸縮機構(gòu)2位于第二底座4的一側(cè)，通過伸縮機構(gòu)2調(diào)節(jié)第二底座4的水平傾斜角度，從而使激光發(fā)射單元的激光器發(fā)射的光線發(fā)生偏移，進(jìn)行對空間的局部掃面，并且使得光學(xué)接收單元與激光器同步，接收后散射的光信號。

其中，伸縮機構(gòu)2采用電動伸縮桿；電動伸縮桿的一端通過鉸接的方式固定在第二底座4上，電動伸縮桿的一端通過鉸接的方式固定在第三底座7上；第二底座4上固定有保護罩5；保護罩5為一螺旋鋼帶保護套，主要用于保護固定在第二底座4上的激光發(fā)射單元和光學(xué)接收單元。

大氣污染物空間分布激光主動探測方法，包括如下步驟：

步驟一，控制單元根據(jù)控制軟件設(shè)置參數(shù)，通過串口控制激光器工作，激光器出射單脈沖激光，依次經(jīng)過二倍頻晶體、三倍頻晶體以及起偏器，最終出射單脈沖355nm脈沖激光，出射的355nm脈沖激光經(jīng)過全反鏡反射進(jìn)3倍率擴束鏡，擴束后的355nm脈沖激光被發(fā)射器內(nèi)的兩塊二維光學(xué)調(diào)整架上光學(xué)反射鏡垂直發(fā)射至大氣中；

步驟二，通過光學(xué)接收單元中的光學(xué)接收望遠(yuǎn)鏡收集反演大氣溫度、水汽和氣溶膠的光學(xué)特征波長大氣后向散射光信號；

步驟三，分別步驟二中的光信號會聚透鏡會聚至直徑8mm的光電倍增管陰極面上，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；光電倍增管電信號通過BNC信號線輸入給數(shù)據(jù)采集器；

步驟四，在數(shù)據(jù)采集器計數(shù)到控制軟件設(shè)置的采樣數(shù)后，控制單元通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)采集器緩存中的測量原始數(shù)據(jù)讀取到本地硬盤中，同時通過數(shù)據(jù)反演軟件數(shù)據(jù)處理得到大氣溫度、水汽和氣溶膠光學(xué)特性垂直廓線并展現(xiàn)在顯示屏上；

步驟五，通過給控制單元發(fā)出空間轉(zhuǎn)換測量命令，而后控制單元將空間轉(zhuǎn)換命令通過串口發(fā)給空間轉(zhuǎn)換單元；

步驟六，在空間轉(zhuǎn)換單元接收到空間轉(zhuǎn)換命令后，首先將垂直擺動機構(gòu)轉(zhuǎn)動一角度α₀；然后啟動水平承載機構(gòu)，使得垂直擺動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周；

步驟七，再依次將垂直擺動機構(gòu)轉(zhuǎn)動α₁、α₂、……，α_n。

其中，步驟六，在空間轉(zhuǎn)換單元接收到空間轉(zhuǎn)換命令后，首先將垂直擺動機構(gòu)轉(zhuǎn)動一角度α₀；然后啟動水平承載機構(gòu)，使得垂直擺動機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周；其中，0.5°＜α₀＜1°。

其中，步驟七，再依次將垂直擺動機構(gòu)轉(zhuǎn)動α₁、α₂、……，α_n，其中n為1，2,……，25；其中，0°＜α＜1°，通過調(diào)節(jié)一些列等分的傾斜角度，使得對大氣空間的一圓環(huán)形區(qū)域進(jìn)行大氣污染物的探測，具有探測范圍廣泛，準(zhǔn)確性高，避免外界溫度、風(fēng)等因素的影響。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“示例”、“具體示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

以上公開的本發(fā)明優(yōu)選實施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實施方式。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地理解和利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。