一种基于滤波片切换的拉曼测温激光雷达系统的制作方法

1.本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种基于滤波片切换的拉曼测温激光雷达系统。


背景技术：

2.大气温度是表征大气能量平衡的重要参数之一，高精度探测大气温度的时空变化规律具有重要的应用价值和科研价值。激光雷达由于其具有高时空分辨的优势，已经成为探测大气温度的一种不可缺少的工具。转动拉曼激光雷达是探测大气温度廓线的重要手段之一。转动拉曼信号是大气回波中与发射波长不同的信号，波长与发射波长相比差别较小。
3.常规的拉曼测温激光雷达系统，在进行测温时，一般使用较为复杂的分光光路，将测温需要的高量子通道及低量子通道进行分离，再使用不同的探测器及采集器进行信号采集，最后将两路测温信号做比值进行反演测量。由于使用两套系统，且在光路上也无法保证完全一致，将在两路测温结果中引入不同的系统参数。虽然系统参数可以进行最终修正，但无法保证不同高度的系统修正常数完全一致，且也不能保证随着测量的进行两路测温信号在时间序列上保持一致。因此，独立分光分别测量的设计形式将引入一定的偏差。另外在激光雷达测温应用中，由于转动拉曼信号弱，且反演算法中，反演大气温度的灵敏度低，两路测温信号有一些微小偏差都会对反演结果造成明显影响。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于滤波片切换的拉曼测温激光雷达系统，可以将两路测温信号的系统偏差降低最低，保证两路测温信号的精度与时间序列上的一致性，提高测量结果的准确性。其具体方案如下：一种基于滤波片切换的拉曼测温激光雷达系统，包括：激光器、信号收发模块、滤波切换模块、数据采集模块，以及分别与所述激光器、所述滤波切换模块和所述数据采集模块连接的工控机；其中，所述激光器，用于发射脉冲激光，以使所述脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；所述信号收发模块，用于接收所述后向散射信号，并对所述后向散射信号进行聚焦后传输至所述滤波切换模块；所述滤波切换模块，用于轮流切换拉曼低量子通道滤波片和拉曼高量子通道滤波片进行滤波处理，轮流获取拉曼低量子通道信号和拉曼高量子通道信号；所述数据采集模块，用于通过时分复用的形式对所述滤波切换模块获取的信号进行数据采集，并发送至所述工控机；所述工控机，用于控制所述滤波切换模块进行相应滤波片的轮流切换，并对所述数据采集模块采集的数据进行处理，获取大气温度结果。
5.优选地，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，所述滤波切换模
块包括滤波片切换系统；所述滤波片切换系统包括具有所述拉曼低量子通道滤波片和所述拉曼高量子通道滤波片的转轮结构，以及与所述转轮结构连接的滤波片切换控制器；所述工控机，与所述滤波片切换控制器连接，具体用于控制所述滤波片切换控制器进行所述转轮结构的转动。
6.优选地，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，所述滤波切换模块还包括位于所述信号收发模块焦点处的孔径光阑；所述孔径光阑位于所述信号收发模块和所述滤波片切换系统之间。
7.优选地，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，所述滤波切换模块还包括准直透镜和聚焦透镜；所述准直透镜位于所述孔径光阑和所述滤波片切换系统之间；所述聚焦透镜位于所述滤波片切换系统和所述数据采集模块之间。
8.优选地，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，所述滤波切换模块包括用于将光路切换成第一光路或第二光路的光开关，位于所述第一光路上的所述拉曼低量子通道滤波片，位于所述第二光路上的所述拉曼高量子通道滤波片，以及用于将所述第一光路和所述第二光路的信号接收至所述数据采集模块中的光纤合束器；所述工控机，与所述光开关连接，具体用于控制所述光开关进行光路的切换。
9.优选地，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，所述滤波切换模块还包括位于所述第一光路上的第一准直透镜和第一聚焦透镜，以及位于所述第二光路上的第二准直透镜和第二聚焦透镜；所述第一准直透镜位于所述光开关和所述拉曼低量子通道滤波片之间；所述第一聚焦透镜位于所述拉曼低量子通道滤波片和所述光纤合束器之间；所述第二准直透镜位于所述光开关和所述拉曼高量子通道滤波片之间；所述第二聚焦透镜位于所述拉曼高量子通道滤波片和所述光纤合束器之间。
10.优选地，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，所述第一准直透镜、所述拉曼低量子通道滤波片和所述第一聚焦透镜的中心均处于同一竖直光轴上；所述第二准直透镜、所述拉曼高量子通道滤波片和所述第二聚焦透镜的中心均处于同一竖直光轴上。
11.优选地，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，所述数据采集模块包括：光电探测器，用于对所述滤波切换模块获取的不同信号进行光电转换；数据采集板，用于通过时分复用的形式采集经光电转换后的信号，得到多组数据，并对所述多组数据进行相应的平均处理。
12.优选地，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，所述数据采集板与所述激光器进行触发同步通讯。
13.优选地，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，所述信号收发模块包括望远镜。
14.从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种基于滤波片切换的拉曼测温激光雷达系统，包括：激光器、信号收发模块、滤波切换模块、数据采集模块，以及分别与激光器、
滤波切换模块和数据采集模块连接的工控机；其中，激光器，用于发射脉冲激光，以使脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；信号收发模块，用于接收后向散射信号，并对后向散射信号进行聚焦后传输至滤波切换模块；滤波切换模块，用于轮流切换拉曼低量子通道滤波片和拉曼高量子通道滤波片进行滤波处理，轮流获取拉曼低量子通道信号和拉曼高量子通道信号；数据采集模块，用于通过时分复用的形式对滤波切换模块获取的信号进行数据采集，并发送至工控机；工控机，用于控制滤波切换模块进行相应滤波片的轮流切换，并对数据采集模块采集的数据进行处理，获取大气温度结果。
15.本发明提供的上述拉曼测温激光雷达系统，使用滤波切换方式，以及采用光路部分及信号采集共用的方式，轮流获取拉曼高量子通道信号及拉曼低量子通道信号，并且信号采集使用时分复用的形式，这样可以将两路测温信号的系统偏差降低最低，保证两路测温信号的精度与时间序列上的一致性，最大程度提高测量性能和测量结果的准确性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的拉曼测温激光雷达系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的拉曼测温激光雷达系统的具体结构示意图之一；图3为本发明实施例提供的滤波片切换系统的结构示意图；图4为本发明实施例提供的拉曼测温激光雷达系统的具体结构示意图之二。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本发明提供一种基于滤波片切换的拉曼测温激光雷达系统，如图1所示，包括：激光器1、信号收发模块2、滤波切换模块3、数据采集模块4，以及分别与激光器1、滤波切换模块3和数据采集模块4连接的工控机5；其中，激光器1，用于发射脉冲激光，以使脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；信号收发模块2，用于接收后向散射信号，并对后向散射信号进行聚焦后传输至滤波切换模块3；在具体实施时，信号收发模块2可以包括望远镜；滤波切换模块3，用于轮流切换拉曼低量子通道滤波片301和拉曼高量子通道滤波片302进行滤波处理，轮流获取拉曼低量子通道信号和拉曼高量子通道信号；需要说明的是，拉曼高量子通道信号是转动拉曼信号中偏离发射波长较大的信号，随温度升高而增强；拉曼低量子通道信号是转动拉曼信号中偏离发射波长较小的信号，随温度升高而减弱；数据采集模块4，用于通过时分复用的形式对滤波切换模块获取的信号进行数据采集，并发送至工控机5；
工控机5，用于控制滤波切换模块3进行相应滤波片的轮流切换，并对数据采集模块4采集的数据进行处理，获取大气温度结果。
20.在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，使用滤波切换方式，以及采用光路部分及信号采集共用的方式，轮流获取拉曼高量子通道信号及拉曼低量子通道信号，并且信号采集使用时分复用的形式，这样可以将两路测温信号的系统偏差降低最低，保证两路测温信号的精度与时间序列上的一致性，最大程度提高测量性能和测量结果的准确性。
21.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，如图2和图4所示，数据采集模块4可以包括：光电探测器401，用于对滤波切换模块3获取的不同信号进行光电转换；数据采集板402，用于通过时分复用的形式采集经光电转换后的信号，得到多组数据，并对多组数据进行相应的平均处理。
22.需要说明的是，在拉曼测温激光雷达中，光电探测器是将光信号转化为电信号，且电信号的强度与光信号强度之间是线性比例关系。同一探测器其对同一强度、不同波长光的响应信号强度不同；不同的探测器，对相同强度、相同波长的光信号响应强度也不同。在本发明中，两路信号是使用不同的滤波片进行滤光处理，通过不同波长的光信号，然后由光电探测器转换为电信号。两种信号在时间上是交替探测的，但都是波长差别很小的光信号，因此对光电探测器而言都是正常的光电转换工作模式，对两路信号的转换特性是一致的。由于在测温场景中，需要保证两路信号强度比值的一致性，因此使用同一个光电探测器401，即使存在使用环境温度变化、使用时间较长导致探测器响应变化，对两路信号而言，使用同一个探测器的变化情况是一样的。大气拉曼测温需要将拉曼低量子信号与拉曼高量子信号进行比值计算，其比值变化将反应真实大气的温度变化。在后续的比值反演计算中，可以将两路信号受到的影响消除掉，保证测量的准确性。
23.另外，需要说明的是，对信号采集板而言，同样存在不同的采集板存在微弱的采集偏差，及时配置相同的采集板，在实际使用中对相同信号进行模数转换，其对微弱信号的测量数值也不完全相同。在本发明中，使用同一个数据采集板402，是时间序列上对两路拉曼测温信号进行轮流采集，保证由相同特性的硬件系统进行模数转换，进而保证了两路信号之间模数转换的一致性，后续比值反演中可将采集板对信号的影响基本完全消除。而且在长时间使用中，采集板即使存在性能变化，也不影响两路信号的比值特性。
24.由于大气特性的相对稳定性，信号采集可使用时分复用的形式，一段时间内轮流切换测量，再将多组数据做时间平均处理，提高了测量性能与结果的准确度。
25.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，数据采集板42可以与激光器1进行触发同步通讯。
26.需要说明的是，激光雷达系统的数据采集板42在工作中需要获取一个与激光发射同步的触发信号，以保证采集到的回波数字信号与回波对应高度相一致。一般大脉冲能量激光器均工作在内触发模式，即激光器出光时，同步输出一个ttl脉冲信号作为同步触发脉冲，脉冲信号的上升沿与激光脉冲出射在时间上是对应的。因此实际工作中，将激光器1的同步触发脉冲信号连接至数据采集板42触发输入接口，当数据采集板42检测到ttl信号上升沿时，开始进行高速的模数采集与信号存储。以此，就能保证信号采集的第一个信号与激光脉冲发射在时间上同步，在根据数据采集板42的采样频率与光速，获取到采集信号之间
的距离间隔，以此将数据采集板42获取到的数字信号同不同距离相对应，获取不同距离处的大气信息。
27.工控机5控制滤波切换模块3，以控制其轮流切换位于光路中的滤波片类型。激光器1向工控机5传输激光器1工作状态信息；数据采集板402向工控机5传输大气回波信号信息；结合滤波片的位置信息，轮流获取拉曼高量子通道信号或拉曼低量子信号。
28.需要指出的是，工控机5需要对滤波切换模块3进行控制，并实时接收数据采集模块4传输的采样信号。当工控机5控制滤波切换模块3，将拉曼低量子通道滤波片301固定在接收光路中，切换完成后，实时接收的数据采样模块传输的信号即为拉曼低量子信号；设定的时间过后，工控机5将控制滤波切换模块3，将拉曼高量子通道滤波片302固定在接收光路中，实时接收的数据采样模块传输的信号即为拉曼高量子信号。工控机5通过对滤波切换模块3的控制，能够准确区分数据采集模块4传输的信号是拉曼低量子通道还是拉曼高量子通道，以此进行准确的测温反演计算。
29.在以上切换中，滤波片的切换需要时间，因此工控机5将根据滤波切换模块3的反馈，对切换过程中的数据做剔除处理。由于切换过程比较快速，而测温的反演需要一定时间长度的累积，多个切换周期的数据进行累积计算以获取比较精确的温度探测结果。因此切换过程中的数据剔除，基本不会影响正常的测量流程。
30.具体地，滤波切换模块3的实施方式可以有多种，下面对滤波切换模块3的实施方式并结合工控机5的控制方式进行说明：在一种实施方式中，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，如图2所示，滤波切换模块3可以包括滤波片切换系统300；如图3所示，滤波片切换系统300可以包括具有拉曼低量子通道滤波片301和拉曼高量子通道滤波片302的转轮结构，以及与转轮结构连接的滤波片切换控制器303。
31.基于此，工控机5与滤波片切换控制器303连接，此时工控机5具体可以用于控制滤波片切换控制器303进行转轮结构的转动，以使后向散射信号轮流受拉曼低量子通道滤波片301和拉曼高量子通道滤波片302的滤波处理。
32.需要说明的是，在本发明中，上述实施方式是使用转轮结构，在共用光路结构、光电探测器及数据采集板的前提下，轮流获取拉曼高量子信号及拉曼低量子信号。由于滤波片的更换是在相同位置下切换滤波片种类，因此拉曼测温激光雷达系统的光学特性保持不变，并且可以尽量大的保证共用空间及共用器件。
33.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，如图2所示，滤波切换模块3还可以包括位于信号收发模块2焦点处的孔径光阑304；孔径光阑304具体可以位于信号收发模块2和滤波片切换系统300之间。该孔径光阑304可以起到限制背景光强度的作用。
34.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，如图2所示，滤波切换模块3还可以包括准直透镜305和聚焦透镜306；准直透镜305具体可以位于孔径光阑304和滤波片切换系统300之间；聚焦透镜306具体可以位于滤波片切换系统300和数据采集模块4之间。
35.下面对图2示出的拉曼测温激光雷达系统的操作方式进行说明，具体过程如下：激光器1发射脉冲激光，光束传输至大气后产生后向散射信号（即回波光束），由信
号收发模块2的望远镜接收并聚焦，经过位于望远镜焦点处的孔径光阑304限制背景光强度，通过准直透镜305将回波光束变为平行光，然后由滤波片切换系统300进行滤波处理，再由聚焦透镜306将回波聚焦后照射至光电探测器401的光敏面上。通过数据采集板402将光电信号转为数字信号，传输至工控机5处进行数据处理。工控机5可控制滤波片切换控制器303进行转动，将拉曼低量子通道滤波片301置于准直光路中，使回波受拉曼低量子通道滤波片301滤波处理；工控机5也可控制滤波片切换控制器303进行转动，将拉曼高量子通道滤波片302置于准直光路中，使回波受拉曼高量子通道滤波片302滤波处理。
36.需要指出的是，本发明提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，在空间上仅使用一路分光通道，通过切换滤波片的形式获取不同波长的回波信息，保证不同信号共用相同光路。不同信号使用相同的光电探测器及数据采集板。另外，探测过程中轮流切换滤波片，通过时分复用的形式，可以保证两路信号的时间一致性。
37.进一步地，在另一种实施方式中，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，如图4所示，滤波切换模块3可以包括用于将光路切换成第一光路或第二光路的光开关307，位于第一光路上的拉曼低量子通道滤波片301，位于第二光路上的拉曼高量子通道滤波片302，以及用于将第一光路和第二光路的信号接收至数据采集模块4中的光纤合束器308。
38.基于此，工控机5与光开关307连接，此时工控机5具体可以用于控制光开关307进行光路的切换。
39.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，如图4所示，滤波切换模块3还可以包括位于第一光路上的第一准直透镜309和第一聚焦透镜310，以及位于第二光路上的第二准直透镜311和第二聚焦透镜312。较佳地，第一准直透镜309位于光开关307和拉曼低量子通道滤波片301之间；第一聚焦透镜310位于拉曼低量子通道滤波片301和光纤合束器308之间；第二准直透镜311位于光开关307和拉曼高量子通道滤波片302之间；第二聚焦透镜312位于拉曼高量子通道滤波片302和光纤合束器308之间。
40.在具体实施时，在本发明实施例提供的上述拉曼测温激光雷达系统中，如图4所示，第一准直透镜309、拉曼低量子通道滤波片301和第一聚焦透镜310的中心均处于同一竖直光轴上；第二准直透镜311、拉曼高量子通道滤波片302和第二聚焦透镜312的中心均处于同一竖直光轴上。
41.下面对图4示出的拉曼测温激光雷达系统的操作方式进行说明，具体过程如下：激光器1发射脉冲激光，光束传输至大气后产生后向散射信号，由信号收发模块2的望远镜接收并聚焦，聚焦后的后向散射信号传输至光开关307，由工控机5控制光开关307进行光路切换，以分别控制后向散射信号轮流经过拉曼低量子通道滤波片301与拉曼高量子通道滤波片302，再由光纤合束器308将两路回波信号接收至同一个光电探测器401中。当工控机5控制光开关307将光路切换至第一光路时，通过第一准直透镜309将回波光束变为平行光，然后由拉曼低量子通道滤波片301进行滤波处理，再由第一聚焦透镜310将回波聚焦后照射至光电探测器401的光敏面上。当工控机5控制光开关307将光路切换至第二光路时，通过第二准直透镜311将回波光束变为平行光，然后由拉曼高量子通道滤波片302进行滤波处理，再由第二聚焦透镜312将回波聚焦后照射至光电探测器401的光敏面上。最后，通过数据采集板402将光电探测器401转换得到的光电信号转为数字信号，传输至工控机5处
进行数据处理。
42.需要指出的是，图4中的光路部分相比于图2中的光路部分有较大的差别，但还是共用同一个光电探测器与数据采集板，也能够获取准确的温度信息。
43.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
44.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
45.综上，本发明实施例提供的一种基于滤波片切换的拉曼测温激光雷达系统，包括：激光器、信号收发模块、滤波切换模块、数据采集模块，以及分别与激光器、滤波切换模块和数据采集模块连接的工控机；其中，激光器，用于发射脉冲激光，以使脉冲激光传输至大气后产生后向散射信号；信号收发模块，用于接收后向散射信号，并对后向散射信号进行聚焦后传输至滤波切换模块；滤波切换模块，用于轮流切换拉曼低量子通道滤波片和拉曼高量子通道滤波片进行滤波处理，轮流获取拉曼低量子通道信号和拉曼高量子通道信号；数据采集模块，用于通过时分复用的形式对滤波切换模块获取的信号进行数据采集，并发送至工控机；工控机，用于控制滤波切换模块进行相应滤波片的轮流切换，并对数据采集模块采集的数据进行处理，获取大气温度结果。上述拉曼测温激光雷达系统使用滤波切换方式，以及采用光路部分及信号采集共用的方式，轮流获取拉曼高量子通道信号及拉曼低量子通道信号，并且信号采集使用时分复用的形式，这样可以将两路测温信号的系统偏差降低最低，保证两路测温信号的精度与时间序列上的一致性，最大程度提高测量性能和测量结果的准确性。
46.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
47.以上对本发明所提供的基于滤波片切换的拉曼测温激光雷达系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。