一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种中大型激光雷达几何重叠因子的测量系统。
【背景技术】
[0002] 激光雷达是一种主动遥感的探测工具，目前已广泛应用于大气气溶胶研究、大气 光学研究、大气环境监测、全球气候预测等领域。米散射激光雷达用于测量边界层气溶胶分 布情况。将激光雷达系统连接计算机后，根据计算机软件输出的数据，得到气溶胶垂直分布 廓线；根据Fernald、Klett、斜率法等方法，反演大气气溶胶消光系数、后向散射系数等光 学特性数值利用激光雷达进行大气探测，雷达系统本身的限制会给测量结果造成无法避免 的系统误差。系统误差可以通过分析激光雷达系统的工作特性订正，如激光雷达的几何重 叠因子，当激光雷达激光的发散角与望远镜的接收视场角部分重合时，发射激光仅有一部 分被有效利用，由这种视场角部分重叠的几何关系确定的用于订正的物理量称为激光雷达 的几何重叠因子。
[0003] 激光雷达的发射系统与接收系统的轴线相互平行或重合，称为平行轴系统或共轴 系统。米散射激光雷达发射系统的激光束有一定的发散角。原则上，当望远镜接收视场角 略大于激光束发散角时，回波信号可以完全进入视场角。但是在距离地面约1000 m高度内， 激光的发散角与望远镜的视场角部分重合，发射激光仅仅部分被有效接收，由这种部分重 叠的几何关系确定的因子称为激光雷达的几何重叠因子。如图1所示，近地面发射系统14 和接收系统15的视场无重叠部分；随着高度升高，重叠部分增多，几何重叠因子逐渐增大； 到达某一高度，激光发散区域完全落入望远镜视场角内，几何重叠因子为1 ;此临界高度以 上的探测数据没有由几何重叠因子造成的误差。几何重叠因子是大于等0、小于或等于1的 无量纲数，反映了发射激光的利用效率，它造成近地面测量的回波功率小于实际大气的回 波功率，导致测量结果的误差，因而必须对激光雷达进行几何重叠因子的修正。
[0004] 几何重叠因子的计算，主要依靠实验的方法，包括水平发射法、均匀大气垂直测量 法、其他通道协助测量法。水平探测法在大气分布均匀的晴朗夜空进行，要求激光雷达系统 的发射系统水平发射。对于望远镜固定的激光雷达系统或是无法移动的大型激光雷达系 统，水平探测无法实现，因此采用水平探测法直接求得大激光雷达几何重叠因子的方法不 可用。均匀大气垂直测量法对发射方向要求较低，一般激光雷达均可进行垂直发射，假设不 同高度处大气气溶胶光学参数相同，计算方法类似于水平方法。此实验方法必须选择大风、 晴朗、干燥的天气，大气边界层的气溶胶垂直分布十分均匀时进行，条件严苛。满足天气条 件后测量出的几何重叠因子还是有很大的误差，即使大气分子运动速度十分快，还是会因 为重力作用使大气上下分布密度不均，因此大气气溶胶浓度垂直分布也不完全均匀。该方 法假设大气垂直方向均匀，但往往与事实相悖。其他通道协助的方法，是指负责的激光雷达 系统包含拉曼通道，可以使用拉曼通道，得到几何重叠因子。该方法要求系统内有其他通道 可以比较、借鉴。但一般激光雷达并不具有这些通道。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的上述缺陷，提供一种能有效提高 中、大型激光雷达几何重叠因子的测量准确性的测量系统。
[0006] 为了达到上述目的，本实用新型提供了一种中大型激光雷达几何重叠因子测量系 统，包括微型激光雷达和信息处理系统；所述微型激光雷达采用米散射激光雷达，包括发射 准直激光脉冲的发射系统、接收与大气气溶胶分子发生相互作用后返回的激光信号的接收 系统、信息采集系统；所述信息采集系统与接收系统相连；所述信息处理系统分别与所述 微型激光雷达的信息采集系统和待测中大型激光雷达相连。
[0007] 本实用新型测量系统还包括外部支架；接收系统设于外部支架上，包括望远镜镜 筒、望远镜主镜片、准直装置；望远镜主镜片设于望远镜镜筒顶部；激光信号依次经过望远 镜主镜片和准直装置后进入信息采集系统；望远镜镜筒的左侧和下部分别安装有水平仪。
[0008] 上述准直装置包括用于阻挡经过所述望远镜主镜片焦点的激光信号的小孔光阑、 准直镜和滤光片；激光信号通过望远镜主镜片后，依次通过小孔光阑、准直镜和滤光片进入 f目息米集系统。
[0009] 上述外部支架包括底座、竖直支架和水平支架；竖直支架为两个，分别左右垂直设 于底座上；水平支架可上下移动地设于竖直支架之间；望远镜镜筒可转动地设于水平支架 上。
[0010] 上述发射系统采用微型二极管栗浦NchYAG固体激光器；信息采集系统采用光电 倍增管。
[0011] 本实用新型相比现有技术具有以下优点：
[0012] 1、利用本实用新型测量系统能精确测量任意未知几何重叠因子的激光雷达系统 的几何重叠因子，这克服了一些接收系统固定的大型激光雷达几何重叠因子测量的困难， 使得由激光雷达的几何重叠因子带来的较大误差可以订正，提高了测量的准确性。
[0013] 2、本实用新型所涉及的微型米散射激光雷达系统结构清晰简单，组装的过程简便 快捷，体型小易于携带、转移，成本节省；且对望远镜镜筒可调的小型激光雷达进行改装就 可实现本微型激光雷达系统的制作，有利于推广和应用。
[0014] 3、利用本实用新型测量系统只需进行一次水平探测求解微型激光雷达系统的几 何重叠因子，然后再利用该微型激光雷达系统求解待测系统的几何重叠因子，不需要再重 复测量，省时省力，可行性很大。
【附图说明】
[0015] 图1为几何重叠因子的原理图；
[0016] 图2为本实用新型测量系统的结构框图；
[0017] 图3为本实用新型测量系统中微型激光雷达的结构示意图；
[0018] 图4为图3中微型激光雷达的内部光路结构图；
[0019] 图5为图3中微型激光雷达的左视图；
[0020] 图6为图3中水平支架与竖直支架的连接示意图。
[0021] 图中，I-望远镜镜筒，2-望远镜主镜片，3-小孔光阑，4-准直镜，5-滤光片，6-光 电倍增管，7-激光器，8-水平仪，9-水平仪，10-底座，11-竖直支架，12-水平支架，13-凹 槽，14-发射系统，15-接收系统。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本实用新型进行详细说明。
[0023] 本实用新型中大型激光雷达几何重叠因子的测量系统包括微型激光雷达和信息 处理系统，如图2所示。该微型激光雷达采用米散射激光雷达，结合图3至图6,包括：
[0024] 1、发射系统，用于发射准直激光脉冲，主要部件为脉冲激光器7,内部包括激光 头，以及扩束镜、全反射镜等调节激光光路准直的光学仪器；激光器采用微型二极管栗浦 NchYAG固体激光器，倍频后单脉冲能量为20uJ，脉冲重复频率为30KHz，可以使系统在单 位时间得到更高的信噪比；扩束镜：用来扩展激光束的直径、减小激光束的发散角，本系统 选用专用于532nm，10倍的激光扩束镜，它结构简单、准直能力强、扩束倍数大、透过率高， 能够很好地满足本系统对发射系统发散角的要求；全反射镜：安装在一个三维精密调整架 上，固定在扩束镜后方，激光经扩束镜之后，通过调整将对镜片进行平移和角度的调整，使 光束能经过四十五度倾斜的全反射镜，垂直射入大气中；除此之外，本系统采用非共轴平行 系统，实验前要调节激光准直且光轴与接受系统的轴线相平行。
[0025] 2、接收系统，用于接收与大气气溶胶分子发生相互作用后返回的激光信号，主要 部分为望远镜，包括望远镜镜筒1、望远镜主镜片2、镜筒内部的准直装置。此部分组件负 责接收激光的大气散射回波，传送至信息采集系统。并将光信号转换成电信号并输出到信 息处理系统。望远镜镜筒1设计为立方体形状，长宽高各为20cm、20cm、120cm，外表采用错 制材料，望远镜镜筒1的顶部嵌入望远镜主镜片2,尾部与光电倍增管6相连。望远镜镜筒 1的左右两侧分别安装可调螺母，用于与外部支架相连及固定望远镜的位置；望远镜镜筒1 的左侧（位于可调螺母上部）、望远镜镜筒1的底部分别安装水平仪8、9,用于判断进行实 验时，望远镜镜筒的安放是否符合水平、竖直的条件。望远镜镜筒垂直时，左侧水平仪8紧 贴望远镜镜筒表面呈上下走向，用于水平探测时确定望远镜镜筒水平放置；下部水平仪9 表面紧贴望远镜镜筒底面，用于水平探测及垂直探测时确定望远镜镜筒是否准确水平、竖 直。调节好望远镜后观察水平仪，若望远镜镜筒不水平或不竖直，则重新调整支架及螺母直 至满足实验要求；望远镜主镜片2为IlDmm的凸透镜片；当望远镜焦点确定后，安装内部的 准直装置，在焦点后方微小距离处，放置一小孔光阑3,可以阻挡经过焦点的发射光，使光束 经过小孔光阑透过凸透镜，将光束准直进入准直镜4,准直后的光进入光电倍增管6前需要 进行滤光降噪，因此光束依次经过准直镜4、滤光片5后，进入光电倍增管6。
[0026] 3、外部支架，包括底座10、竖直支架11和水平支架12。望远镜镜筒1与水平支架 12的连接处设置可调螺母，通过锁紧可调螺母固定望远镜的姿态，或适当拧松可调螺母来 调节望远镜与水平地面的夹角。竖直支架11中部高度处设置垂直高度5cm的凹槽13,水平 支架12与竖直支架11之间通过凹槽和调节旋钮锁紧固定。此凹槽13用于固定望远镜的 空间位置和水平高度，通常情况下，先通过水平支架12、竖直支架11之间的调节旋钮调节 与水平支架12相连的竖直支架11的高度，从而确定本系统望远镜的位置和高度，再通过望 远镜镜筒1与水平支架12之间的可调螺母来改变望远镜的姿态，控制它与地面的夹角、水 平或竖直。
[0027] 4、信息采集系统，采用光电倍增管6,用于将接收系统接收的光信号转换成电信 号，