本實(shí)用新型涉及激光雷達(dá)裝置，具體的說是一種大氣顆粒物走航觀測(cè)激光雷達(dá)裝置。

背景技術(shù)：

近年來，霧霾越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響生活與出行，普通的地基在線監(jiān)測(cè)設(shè)備只能獲得幾百米以下的數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)1km以上的探空，大氣顆粒物激光雷達(dá)彌補(bǔ)了這一缺陷，可以探測(cè)距離地面100m-30km的大氣顆粒物分布狀況，定性分析其時(shí)空演變特征。

目前大氣顆粒物監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)主要分為兩類，高能激光雷達(dá)和微脈沖激光雷達(dá)，高能激光雷達(dá)單脈沖能量10mJ以上，重復(fù)頻率50Hz以下，能量大可以有效擊穿邊界層，符合重污染天氣下監(jiān)測(cè)要求；微脈沖激光雷達(dá)單脈沖能量100uJ以下，重復(fù)頻率1kHz以上，體積小、成本低，但是由于其能量低，在重污染天氣下無法獲得好的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。無論是高能激光雷達(dá)還是微脈沖激光雷達(dá)，由于平均功率低，都需要較長(zhǎng)的時(shí)間獲得一條有效廓線數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率30s以上，無法滿足監(jiān)測(cè)車邊快速行駛邊觀測(cè)的要求，只能定點(diǎn)或者時(shí)速30km/h以下的時(shí)候使用，在高速公路上使用就有局限性。掃描雷達(dá)大多使用的是掃描架的方式，這種掃描方式無法避免線纜拖拽的問題，所以掃描范圍小，不能達(dá)到水平0-360度、垂直0-360度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述不足之處，從而提供一種大氣顆粒物走航觀測(cè)激光雷達(dá)裝置。本實(shí)用新型能夠定點(diǎn)垂直觀測(cè)、掃描觀測(cè)和斜程觀測(cè)，能夠走航垂直觀測(cè)和斜程觀測(cè)，能夠獲得大氣顆粒物的立體分布廓線，結(jié)合地理信息模塊區(qū)域掃描時(shí)能夠快速溯源，找到污染源位置，走航觀測(cè)能夠跟蹤污染團(tuán)變化，監(jiān)測(cè)擴(kuò)散趨勢(shì)，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)信息能夠計(jì)算輸送通量，為環(huán)保、氣象等部門進(jìn)行業(yè)務(wù)支撐。

本實(shí)用新型是通過下述技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：

一種大氣顆粒物走航觀測(cè)激光雷達(dá)裝置，包括：光學(xué)發(fā)射裝置1、光學(xué)接收裝置2、掃描裝置3、信號(hào)采集與處理裝置4和拍照模塊5；

所述光學(xué)接收裝置2設(shè)置在光學(xué)發(fā)射裝置1的正前方，所述掃描裝置3設(shè)置在光學(xué)接收裝置2的前方，所述信號(hào)采集與處理裝置4連接在光學(xué)接收裝置2上；

所述拍照模塊5連接在信號(hào)采集與處理裝置4上。

優(yōu)先的，所述光學(xué)發(fā)射裝置1包括：激光器11和準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡組12；

所述激光器11上固定有準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡組12。

優(yōu)先的，所述光學(xué)接收裝置2包括：望遠(yuǎn)鏡21和后繼光學(xué)模塊22；

所述后繼光學(xué)模塊22內(nèi)置于望遠(yuǎn)鏡21中，所述望遠(yuǎn)鏡21內(nèi)置有管狀部件211。

優(yōu)先的，所述掃描裝置3包括：光線入射通道31、一對(duì)掃描振鏡32、光線傳輸通道33、定位模塊34和光線出射通道35；

所述光線入射通道31設(shè)置在光學(xué)接收裝置2正上方，所述光線傳輸通道33傾斜的設(shè)置在光線入射通道31上方，所述一對(duì)掃描振鏡32平行的固定在光線傳輸通道33內(nèi)，所述光線出射通道35設(shè)置在光線傳輸通道33上方，所述定位模塊34設(shè)置在掃描裝置3內(nèi)。

優(yōu)先的，所述信號(hào)采集與處理裝置4包括：光電探測(cè)器41、信號(hào)放大模塊42、數(shù)據(jù)采集模塊43、數(shù)據(jù)處理模塊44、中央處理器45和地理信息模塊441；

所述光電探測(cè)器41、信號(hào)放大模塊42、數(shù)據(jù)采集模塊43和數(shù)據(jù)處理模塊44連接在中央處理器45上；所述數(shù)據(jù)處理模塊44上還連接有地理信息模塊441。

優(yōu)先的，還包括環(huán)境識(shí)別傳感器6，所述環(huán)境識(shí)別傳感器6連接在信號(hào)采集與處理裝置4上。

本實(shí)用新型的有益效果：能夠定點(diǎn)垂直觀測(cè)、掃描觀測(cè)和斜程觀測(cè)，能夠走航垂直觀測(cè)和斜程觀測(cè)，能夠獲得大氣顆粒物的立體分布廓線，結(jié)合地理信息模塊區(qū)域掃描時(shí)能夠快速溯源，找到污染源位置，走航觀測(cè)能夠跟蹤污染團(tuán)變化，監(jiān)測(cè)擴(kuò)散趨勢(shì)，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)信息能夠計(jì)算輸送通量，為環(huán)保、氣象等部門進(jìn)行業(yè)務(wù)支撐。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的大氣顆粒物走航觀測(cè)激光雷達(dá)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的大氣顆粒物走航觀測(cè)激光雷達(dá)裝置的光學(xué)發(fā)射裝置示意圖，圖中僅保留了激光器和擴(kuò)束鏡結(jié)構(gòu)；

圖3為本實(shí)用新型的大氣顆粒物走航觀測(cè)激光雷達(dá)裝置的信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為本實(shí)用新型的大氣顆粒物走航觀測(cè)激光雷達(dá)裝置的信號(hào)采集與處理裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為本實(shí)用新型的大氣顆粒物走航觀測(cè)激光雷達(dá)裝置的實(shí)施例的夜晚和白天大氣后向散射回波信號(hào)的信噪比廓線 ；

圖中：

1- 光學(xué)發(fā)射裝置，11- 激光器，12- 準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡組；

2- 光學(xué)接收裝置，21- 望遠(yuǎn)鏡，211- 管狀部件，22- 后繼光學(xué)模塊；

3- 掃描裝置，31- 光線入射通道，32- 一對(duì)掃描振鏡，33- 光線傳輸通道，34- 定位模塊，35- 光線出射通道 ；

4- 信號(hào)采集與處理裝置，41- 光電探測(cè)器，42- 信號(hào)放大模塊，43- 數(shù)據(jù)采集模塊，44- 數(shù)據(jù)處理模塊，441- 地理信息模塊，45- 中央處理器；

5- 拍照模塊；

6- 環(huán)境識(shí)別傳感器。

具體實(shí)施方式

以下是本實(shí)用新型的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本實(shí)用新型并不限于這些實(shí)例。

如圖1至5所示，一種大氣顆粒物走航觀測(cè)激光雷達(dá)裝置，包括：光學(xué)發(fā)射裝置1、光學(xué)接收裝置2、掃描裝置3、信號(hào)采集與處理裝置4和拍照模塊5；

所述光學(xué)接收裝置2設(shè)置在光學(xué)發(fā)射裝置1的正前方，所述掃描裝置3設(shè)置在光學(xué)接收裝置2的前方，所述信號(hào)采集與處理裝置4連接在光學(xué)接收裝置2上；

所述拍照模塊5連接在信號(hào)采集與處理裝置4上。

在本實(shí)施中優(yōu)選的，光學(xué)發(fā)射裝置1包括：激光器11和準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡組12，所述激光器11上固定有準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡組12；

激光器11采用單脈沖能量1mJ、重復(fù)頻率2kHz的激光雷達(dá)，能滿足重污染天氣下的探測(cè)，能量高可以更好的穿透污染層獲得高信噪比回波信號(hào)，頻率高可以在單位時(shí)間內(nèi)獲得更多數(shù)量的回波信號(hào)，平均后的信號(hào)質(zhì)量更高，且保證模塊時(shí)間分辨率不高于10s，滿足邊行駛邊觀測(cè)的要求，行駛速度可以達(dá)到60km/h以上。

在本實(shí)施中優(yōu)選的，光學(xué)接收裝置2包括：望遠(yuǎn)鏡21和后繼光學(xué)模塊22；

所述后繼光學(xué)模塊22內(nèi)置于望遠(yuǎn)鏡21中，所述望遠(yuǎn)鏡21內(nèi)置有管狀部件211；

管狀部件211能夠?qū)l(fā)射的激光與接收的雷達(dá)后向散射信號(hào)隔離，減小雜散光干擾，提高信號(hào)信噪比。

在本實(shí)施中優(yōu)選的，掃描裝置3包括：光線入射通道31、一對(duì)掃描振鏡32、光線傳輸通道33、定位模塊34和光線出射通道35；

所述光線入射通道31設(shè)置在光學(xué)接收裝置2正上方，所述光線傳輸通道33傾斜的設(shè)置在光線入射通道31上方，所述一對(duì)掃描振鏡32平行的固定在光線傳輸通道33內(nèi)，所述光線出射通道35設(shè)置在光線傳輸通道33上方，所述定位模塊34設(shè)置在掃描裝置3內(nèi)；

掃描裝置3使用時(shí)與雷達(dá)主體分離，提高運(yùn)行穩(wěn)定性，水平、垂直轉(zhuǎn)軸不受線纜影響，可以滿足水平0-360度、垂直0-360度的旋轉(zhuǎn)，屬于國內(nèi)大口徑掃描模塊首創(chuàng)，且自帶除塵刷、除濕裝置，自動(dòng)進(jìn)行維護(hù)；一對(duì)掃描振鏡32可以利用定位模塊34中經(jīng)緯度、角度信息進(jìn)行自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，根據(jù)實(shí)際方位角自動(dòng)調(diào)整探測(cè)方向并記錄；拍照模塊5可以和一對(duì)掃描振鏡32聯(lián)動(dòng)拍照、攝像并實(shí)時(shí)保存圖像或者視頻數(shù)據(jù)，結(jié)合模塊反演結(jié)果可以更好的說明大氣顆粒物狀況。

在本實(shí)施中優(yōu)選的，信號(hào)采集與處理裝置4包括：光電探測(cè)器41、信號(hào)放大模塊42、數(shù)據(jù)采集模塊43、數(shù)據(jù)處理模塊44、中央處理器45和地理信息模塊441；

所述光電探測(cè)器41、信號(hào)放大模塊42、數(shù)據(jù)采集模塊43和數(shù)據(jù)處理模塊44連接在中央處理器45上；所述數(shù)據(jù)處理模塊44上還連接有地理信息模塊441；

信號(hào)采集與處理裝置4采用動(dòng)態(tài)范圍96dB以上的數(shù)據(jù)采集板卡，空間分辨率7.5m，可以使反演的圖像更加細(xì)致；光電探測(cè)器41是指將接收的激光雷達(dá)后向散射信號(hào)由光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；地理信息模塊441結(jié)合定位模塊34中經(jīng)緯度信息，再疊加區(qū)域消光系數(shù)、退偏振比圖像，有利于提高地理信息的準(zhǔn)確度。

在本實(shí)施中優(yōu)先的，還包括環(huán)境識(shí)別傳感器6，所述環(huán)境識(shí)別傳感器6連接在信號(hào)采集與處理裝置4上；

環(huán)境識(shí)別傳感器34自動(dòng)記錄外部環(huán)境溫濕度、下雨?duì)顟B(tài)，可以自動(dòng)進(jìn)行雨刮操作，滿足復(fù)雜天氣下的使用，在反演圖像上疊加溫濕度數(shù)據(jù)、下雨?duì)顟B(tài)，可以更好的聯(lián)合分析氣象條件對(duì)霧霾的作用。

表1所示為每個(gè)脈沖的激光出射位置與接收位置的偏差數(shù)據(jù)表：

表1 光出射位置與接收位置的偏差數(shù)據(jù)表

當(dāng)雷達(dá)的探測(cè)距離為10km，激光出射后回波信號(hào)返回到激光雷達(dá)的距離為20km，按光速3*10⁸計(jì)算，需要反應(yīng)時(shí)間為6.7*10^-5s，當(dāng)車速為60km/h（16.7m/s）時(shí)，車輛已行駛0.0011m，激光出射位置與接收位置的偏差為1.1mm，該偏差對(duì)口徑150mm以上的激光雷達(dá)幾乎忽略不計(jì)。當(dāng)車速按照120km/h（33.3m/s）計(jì)算，在同樣的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，激光出射位置與接收位置的偏差為2.2mm，同理不影響光路的接收。

使用中，采用了全固化二極管泵浦激光器，激光雷達(dá)每條數(shù)據(jù)的采集時(shí)間間隔為5s，約有10000個(gè)脈沖，車速按60km/h計(jì)算，車輛行駛了83.5m，同類產(chǎn)品的時(shí)間分辨率約為30s，以此速度行駛約501m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于83.5m，因此在走航觀測(cè)中，高時(shí)間分辨率更好的滿足大氣空間分布的探測(cè)，精度更高。

圖5所示為在不同海拔高度測(cè)得的信噪比廓線圖，在激光雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中，信噪比優(yōu)于10才能反演有效的雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)有產(chǎn)品的時(shí)間分辨率約為30s才能滿足信號(hào)反演需求，而本實(shí)用新型的掃描式大氣顆粒物監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)裝置時(shí)間分辨率優(yōu)于5s就可滿足信號(hào)反演需求。

以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例方式，不能以此來限定本實(shí)用新型保護(hù)的范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型的基礎(chǔ)上所做的任何非實(shí)質(zhì)性的變化及替換均屬于本實(shí)用新型所要求保護(hù)的范圍。