一種移動(dòng)式區(qū)域顆粒物立體分布遙測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)遙測(cè)系統(tǒng)，具體涉及一種移動(dòng)式區(qū)域顆粒物立體分布遙測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)大規(guī)模工業(yè)的發(fā)展，形成了區(qū)域化的城市群，如京津冀城市群、長(zhǎng)江三角洲城市群、珠江三角洲城市群，在城市群帶來(lái)經(jīng)濟(jì)繁榮的同時(shí)，灰霾污染事件頻發(fā)，并且呈現(xiàn)出復(fù)合型和區(qū)域化的污染特征。灰霾的生成、發(fā)展、擴(kuò)散、下沉、消散等過(guò)程是在整個(gè)邊界層內(nèi)發(fā)生的，因此，采用一種高時(shí)間分辨率和高空間分辨率的移動(dòng)式定量探測(cè)技術(shù)對(duì)城市灰霾污染進(jìn)行測(cè)量和光學(xué)-微物理特征參數(shù)分析對(duì)灰霾研究具有格外重要的意義。
[0003]激光雷達(dá)技術(shù)具有高時(shí)空分辨率、原位測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為研究灰霾問(wèn)題的強(qiáng)有力工具。單個(gè)站點(diǎn)的激光雷達(dá)雖然也能測(cè)量一個(gè)地點(diǎn)的顆粒物垂直分布特征和時(shí)間分布特征，但是無(wú)法反映顆粒物的區(qū)域分布特征，無(wú)法對(duì)顆粒物的來(lái)源進(jìn)行準(zhǔn)確定位，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物擴(kuò)散路徑進(jìn)行有效追蹤，不能實(shí)現(xiàn)城市跨界輸送通量和閉環(huán)通量的估算。國(guó)內(nèi)雖然也研制出相應(yīng)的車載激光雷達(dá)系統(tǒng)，但通常是將車載激光雷達(dá)系統(tǒng)固定測(cè)量，限于車載供電系統(tǒng)，車載激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震性和快速移動(dòng)造成信號(hào)信噪比低等因素的影響，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)車載激光雷達(dá)系統(tǒng)的移動(dòng)式觀測(cè)，沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)區(qū)域顆粒物時(shí)空分布的移動(dòng)立體監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種移動(dòng)式區(qū)域顆粒物立體分布遙測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物區(qū)域立體分布的快速移動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物來(lái)源、擴(kuò)散路徑的有效追蹤，估算城市跨界輸送通量和閉環(huán)通量。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種移動(dòng)式區(qū)域顆粒物立體分布遙測(cè)系統(tǒng)，包括車載供電單元、激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號(hào)采集與控制單元和GPS跟蹤定位單元;所述車載供電單元包括供電電池組、UPS電源;所述的激光發(fā)射單元包括高頻激光器、消色差擴(kuò)束鏡、三組反射鏡，三組反射鏡分別包括第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡，高頻激光器、消色差擴(kuò)束鏡、第一反射鏡緊鎖在一塊光學(xué)平板上，光學(xué)平板水平固定在系統(tǒng)框架上;所述后繼光學(xué)接收單元包括接收望遠(yuǎn)鏡、小孔光闌、消色差透鏡、直角棱鏡、355nm反射鏡、尼克爾棱鏡、532nm反射鏡、以及用于三路回波信號(hào)濾波的窄帶濾光片和用于三路回波信號(hào)光電轉(zhuǎn)換的光電倍增管;所述信號(hào)采集與控制單元包括前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集卡采用PCI接口，放置于工控機(jī)內(nèi)部;所述GPS跟蹤定位單元通過(guò)數(shù)據(jù)線與工控機(jī)連接，用于跟蹤記錄每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)瑋度，并實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前車移動(dòng)的速度。
[0006]由工控機(jī)通過(guò)串口發(fā)送命令控制高頻激光器出光，激光經(jīng)消色差擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后經(jīng)第一片反射鏡反射后由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)為垂直發(fā)射到空中，第二片反射鏡和第三片反射鏡將激光束由離軸形式轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饫走_(dá)的同軸結(jié)構(gòu)，激光束穿透密封鏡窗垂直射向大氣中，激光束與大氣氣溶膠、云、氣體分子相互作用后產(chǎn)生的后向散射光由接收望遠(yuǎn)鏡接收后，匯聚于小孔光闌內(nèi)，被凸面鏡準(zhǔn)直后并經(jīng)過(guò)直角棱鏡后的355nm回波信號(hào)經(jīng)過(guò)355nm反射鏡反射后經(jīng)由窄帶濾光片濾除白噪聲的干擾到達(dá)光電倍增管轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，532nm回波信號(hào)透過(guò)355nm反射鏡并通過(guò)尼克爾棱鏡分為兩束線偏振光經(jīng)窄帶濾光片后分別被相應(yīng)的光電倍增管接收并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，三路電流信號(hào)經(jīng)前置放大器放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)被數(shù)據(jù)采集卡采集，并由工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。工控機(jī)解析獲得顆粒物垂直分布信息，GPS跟蹤定位單元獲得每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上的經(jīng)瑋度信息，工控機(jī)將測(cè)量點(diǎn)上的顆粒物光學(xué)參數(shù)與經(jīng)瑋度信息疊加獲取顆粒物的區(qū)域立體分布信息。在結(jié)束測(cè)量時(shí)，工控機(jī)控制關(guān)閉高頻激光器輸出，依次關(guān)閉放大器、UPS電源、供電電池組。在系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量過(guò)程中，工控機(jī)通過(guò)UPS電源不間斷監(jiān)測(cè)供電電池組的輸入狀態(tài)，若供電電池組的保持正常供電，則系統(tǒng)循環(huán)工作;若供電電池組的輸入狀態(tài)出現(xiàn)異常，為了防備供電電池組的輸入狀態(tài)只是短暫的異常，或者只是供電電池組的電壓波動(dòng)造成的，因此，在檢查發(fā)現(xiàn)供電電池組供電狀態(tài)異常的情況下，等待I?2分鐘后再次檢查供電電池組供電狀態(tài)是否正常，若供電電池組輸入狀態(tài)正常，則系統(tǒng)繼續(xù)循環(huán)工作，若供電電池組供電狀態(tài)仍然異常，則關(guān)閉高頻激光器，并預(yù)設(shè)3-5分鐘后關(guān)閉UPS電源，在關(guān)閉高頻激光器后，關(guān)閉工控機(jī)，UPS電源會(huì)在3-5分鐘后關(guān)閉。
[0007]其中，UPS電源采用在線式架構(gòu)、正弦波輸出，UPS電源可以解決市電高壓、市電低壓、電壓瞬態(tài)跌落、電壓波動(dòng)、浪涌電壓電源問(wèn)題，在斷電情況下，能維持5?10分鐘的正常輸出，提供RS-232串口，通過(guò)S-232串口對(duì)UPS電源控制。
[0008]其中，GPS跟蹤定位單元與工控機(jī)相連，工控機(jī)在采集回波信號(hào)的同時(shí)，記錄當(dāng)前的經(jīng)瑋度信息，并實(shí)施記錄車的移動(dòng)速度，做到了顆粒物時(shí)空分布與經(jīng)瑋度、交通擁堵量的精確映射關(guān)系。
[0009]其中，激光發(fā)射單元整體核心部件高頻激光器、消色差透鏡緊鎖在一塊光學(xué)平板上面，光學(xué)平板水平固定在系統(tǒng)框架上，在快速運(yùn)動(dòng)和顛簸的工作環(huán)境下，起到了保護(hù)高頻激光器的目的和抗震的效果。
[00?0] 其中，接收望遠(yuǎn)鏡采用了純正的Richey-Chre’tien雙曲面主、次鏡結(jié)構(gòu)，同時(shí)消除了球差和彗差，并且主、次鏡采用最優(yōu)的低熱膨脹系數(shù)石英玻璃，輔以高強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)鏡筒，主鏡牢牢固定在后端基座上，次鏡經(jīng)過(guò)光軸校準(zhǔn)后固定不動(dòng);接收望遠(yuǎn)鏡主次鏡鍍介質(zhì)膜，具有99 %的極高反射率，接收望遠(yuǎn)鏡口徑大于等于200mm。
[0011]其中，后繼光學(xué)接收單元中的355nm反射鏡、尼克爾棱鏡、532nm反射鏡、以及用于三路回波信號(hào)濾波的窄帶濾光片和光電轉(zhuǎn)化的光電倍增管采用了三通道分光結(jié)構(gòu)模式，每個(gè)信號(hào)通道使用擋板進(jìn)行隔離，為了避免雜散光的影響，采用盲板進(jìn)行空間的密封，水平放置并緊鎖于一塊光學(xué)平板上。
[0012]其中，整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一固定在一個(gè)框架內(nèi)，框架底部為抗震墊，適應(yīng)快速移動(dòng)和顛簸的系統(tǒng)工作環(huán)境。
[0013]其中，系統(tǒng)能夠快速獲取顆粒物立體分布，持續(xù)巡航時(shí)間達(dá)到10小時(shí)及以上，時(shí)間分辨率最高至10秒，能夠獲得探測(cè)距離為5km范圍內(nèi)的顆粒物時(shí)空分布信息。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果:
[0015]通過(guò)本發(fā)明的移動(dòng)式區(qū)域顆粒物立體分布遙測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)平臺(tái)上獲取區(qū)域顆粒物的水平、垂直分布狀況，研究區(qū)域顆粒物水平分布和交通擁堵量的定量關(guān)系，跟蹤顆粒物擴(kuò)散路徑，研究城市跨界輸送通量和閉環(huán)輸送通量，研究顆粒物輸送貢獻(xiàn)量，為環(huán)保部門對(duì)區(qū)域灰霾時(shí)空分布評(píng)估提供技術(shù)及數(shù)據(jù)支持，并且可以對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品、模型結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明移動(dòng)式區(qū)域顆粒物立體分布遙測(cè)系統(tǒng)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖以及【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明的一種移動(dòng)式區(qū)域顆粒物立體分布遙測(cè)系統(tǒng)，包括車載供電單元、激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號(hào)采集與控制單元和GPS跟蹤定位單元;所述車載供電單元包括供電電池組1、UPS電源2;所述的激光發(fā)射單元包括高頻激光器4、消色差擴(kuò)束鏡5、三組反射鏡，三組反射鏡分別包括第一反射鏡6、第二反射鏡7、第三反射鏡8，高頻激光器4、消色差擴(kuò)束鏡5、第一反射鏡6緊鎖在一塊光學(xué)平板上，光學(xué)平板水平固定在系統(tǒng)框架上，在快速運(yùn)動(dòng)和顛簸的工作環(huán)境下，起到了保護(hù)高頻激光器的目的和抗震的效果;所述后繼光學(xué)接收單元包括接收望遠(yuǎn)鏡10、小孔光闌11、消色差透鏡12、直角棱鏡13、355nm反射鏡14、尼克爾棱鏡15、532nm反射鏡16、以及用于三路回波信號(hào)濾波的窄帶濾光片和光電轉(zhuǎn)化的光電倍增管，包括用于355nm回波信號(hào)濾波的第一窄帶濾光片17和用于532nm兩路偏振信號(hào)濾波的第二窄帶濾光片18、第三窄帶濾光片19，以及用于355nm回波信號(hào)光電轉(zhuǎn)換的第一光電倍增管20，用于532nm兩路偏振信號(hào)光電轉(zhuǎn)換的第二光電倍增管21、第三光電倍增管22;所述信號(hào)采集與控制單元包括前置放大器23、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)1，所述數(shù)據(jù)采集卡采用PCI接口，放置于工控機(jī)23內(nèi)部;所述GPS跟蹤定位單元24通過(guò)數(shù)據(jù)線與工控機(jī)連接，用于跟蹤記錄每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)瑋度，并實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前車移動(dòng)的速度。
[0019]本發(fā)明工作過(guò)程:
[0020]首先打開供電電池組開關(guān)I，供電電池組I為UPS電源2提供電源、UPS電源2為激光發(fā)射單元、光學(xué)接收單元、信號(hào)采集與控制單元、GPS跟蹤定位單元23提供電源支持；由工控機(jī)3通過(guò)串口發(fā)送命令控制高頻激光器4出光，激光經(jīng)消色差擴(kuò)束鏡5擴(kuò)束后經(jīng)第一片反射鏡6反射后由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)為垂直發(fā)射到空中，第二片反射鏡7和第三片反射鏡8將激光束由離軸形式轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饫走_(dá)的同軸結(jié)構(gòu)，激光束穿透密封鏡9窗口垂直射向大氣中，激光束與大氣氣溶膠、云、氣體分子相互作用后產(chǎn)生的后向散射光由接收望遠(yuǎn)鏡10接收后，匯聚于小孔光闌11內(nèi)，被凸面鏡12準(zhǔn)直后并經(jīng)過(guò)直角棱鏡13后的355nm回波信號(hào)經(jīng)過(guò)355nm反射鏡15反射后經(jīng)由第一窄帶濾光片17濾除白噪聲的干擾到達(dá)第一光電倍增管20