专利名称：基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测污激光雷达装置，尤其是基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置。
背景技术：
目前，人们为了探测大气中的污染气体的浓度，常使用差分激光测污雷达。如在本申请人之一中科院安徽光学精密机械研究所的一份中国专利CN 1139802C(授权公告日为2004年2月25日)中曾描述过的一种“适用于差分吸收激光雷达测污染气体的激光源方法”。实现该方法的装置实为一种激光频率变换部件，它由受一只两路Q开关控制的两台激光器、该两台激光器输出光路上分别设置的倍频晶体和拉曼管构成；适用时，两台激光器在两路Q开关的控制下，交替输出波长为1064nm的两束激光，该两束激光分别经同倍数的倍频晶体倍频，再分别经充有甲烷和氘气的拉曼管移频后，交替输出两束波长相近、光束平行的探测选定的污染气体的受激拉曼散射激光。为实现激光测污的目的，该受激拉曼散射激光还需经发射接收部件，即发射望远镜和接收望远镜发射出去及接收其回波。但是，这种方法所对应的激光频率变换部件和其需配置的发射接收部件存在着不足之处，首先，为获得交替输出的两束不同波长的受激拉曼散射激光，频率变换部件使用了两套激光光源，即一只两路Q开关、两台激光器和两只同倍数的倍频晶体，致使其结构复杂、造价高昂；其次，频率变换部件交替输出的两束不同波长的受激拉曼散射激光只能用来探测一种选定的污染气体，若需探测其他污染气体，则需更换上相应倍数的倍频晶体，并需对更换了倍频晶体的光路再次进行调整，使得雷达整机或是探测污染气体的种类有限，或是使用、维护不便；再次，因频率变换部件得到的两束受激拉曼散射激光是相互平行的，若将它们作为发射光直接发射出去，则其回波因有盲区，将使得激光雷达无法接收到近距离的污染气体的探测回波，致使探测的近端距离受到一定的限制；又次，现有的频率变换部件中的以甲烷气体作为激活介质的拉曼管还有着因拉曼管中的甲烷气体在高强度的激光照射下会发生电离、击穿和离解，从而产生碳自由基，产生的碳自由基会粘连在拉曼管的窗口材料上形成污染斑，轻则影响受激拉曼散射的能量转换效率，重则使受激拉曼散射效应难以产生的缺陷；又次，这种拉曼管为防止管中的甲烷气体产生碳自由基污染窗口材料，要求输入端的聚光透镜的焦距要长，而激光雷达整机系统又要求通过拉曼管后的激光的发射角要缩小为原发射角的1.2倍，受上述条件的制约，此时的拉曼管的输出端的准直透镜的焦距就要比输入端的聚光透镜的焦距长1.2倍，也即拉曼管两端的凸透镜焦距限定了管身的长度。而为了满足激光雷达能随时随地地测量污染气体的要求，就要将激光雷达装于可快速移动的平台上，也即将其置于车辆之中，此时的拉曼管长度就成为了一个减小整机体积的瓶颈；最后，因整机中的频率变换部件和发射接收部件的体积均较大，且无法小型化，使其难以到现场对污染气体进行实时测量，故只能于采样后再经事后的测量、分析处理而得出污染气体的种类及其分布特性，属非实时在线测量，而此时环境条件早已发生了变化，因此，对于识别污染的来源、危险程度、快速报警以及及时反应都无法做到实时响应。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、实用，使用更方便的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置。
所采用的技术方案包括激光器和其光路上的频率变换部件、发射接收部件，以及与激光器、频率变换部件和发射接收部件电连接的控制处理部件，特别是(1)、所说频率变换部件为依次设置的置于晶体电移台上不同倍数的两只倍频晶体、会聚凸透镜、置于管组电移台上由三根平行设置的其中充有不同气体的拉曼管构成的拉曼管组、凹透镜和准直凸透镜，所说晶体电移台和管组电移台分别与晶体步进电机和管组步进电机相连接，所说晶体步进电机和管组步进电机的输入端分别与晶体步进电机控制器和管组步进电机控制器的输出端电连接；(2)、所说发射接收部件为底座与水平转动镜筒动配合连接，固定于底座上的水平转动步进电机经蜗杆与固定于水平转动镜筒上的蜗轮动配合连接，水平转动镜筒的侧壁与左右转动镜筒动配合连接，固定于水平转动镜筒上的左右转动步进电机经蜗杆与固定于左右转动镜筒上的蜗轮动配合连接，水平转动镜筒和左右转动镜筒的端口分别固定有相互平行的水平转动平面反射镜和左右转动平面反射镜，所说水平转动平面反射镜与水平转动镜筒转轴间的夹角为45度，底座中于水平转动镜筒转轴线上依次置有45度反射镜、光阑和接收镜，所说光阑位于接收镜的焦点处，且与光纤相连接，所说光纤的另一端依次置有准直镜和光电倍增管；(3)、所说控制处理部件为微型计算机经其I/O端口分别与数模转换器、模数转换器电连接，其中，数模转换器分别与激光器的泵浦源、晶体步进电机控制器和管组步进电机控制器的输入端以及水平转动步进电机控制器和左右转动步进电机控制器的输入端电连接，模数转换器经放大整形器与光电倍增管电连接。
作为技术方案的进一步改进，所述的晶体电移台和管组电移台分别与固定在工作平台上的晶体电移台导轨和管组电移台导轨动配合连接，所说晶体电移台导轨和管组电移台导轨的走向垂直于激光器的输出光路；所述的晶体电移台和管组电移台分别经丝杠螺母付与固定在工作平台上的晶体步进电机和管组步进电机相连接，其中，晶体电移台上的螺母与和晶体步进电机同轴连接的丝杠动配合连接，管组电移台上的螺母与和管组步进电机同轴连接的丝杠动配合连接；所述的倍频晶体为三倍频晶体和四倍频晶体；所述的拉曼管组的一号拉曼管中充有甲烷的混合气体、二号拉曼管中充有40千帕的氘气与50千帕的氦气、三号拉曼管中充有130千帕的氢气与120千帕的氩气，所说一号拉曼管中甲烷的混合气体的气压为1～5兆帕、构成比例为甲烷∶氦气∶氖气∶氢气∶氮气∶氩气∶氘气为1∶0.4～0.6∶0.2～0.4∶0.2～0.4∶0.9～1.1∶0.7～0.9∶0.05～0.15；所述的凹透镜与准直凸透镜组合后的焦距为会聚凸透镜焦距的1.1～1.4倍，其中，会聚凸透镜的焦距为60～100cm，凹透镜的焦距为10～19cm，准直凸透镜的焦距为15～27cm；所述的底座经滚珠轴承与水平转动镜筒动配合连接，水平转动镜筒经滚珠轴承与左右转动镜筒动配合连接；所述的水平转动步进电机与蜗杆同轴连接，左右转动步进电机与蜗杆同轴连接；所述的光阑的孔径为0.3～1.2mm；所述的激光器为固体激光器或气体激光器或化学激光器或半导体激光器。
相对于现有技术的有益效果是，其一，频率变换部件的有益效果为，一是将多只倍频晶体和拉曼管分别置于晶体电移台和管组电移台上，通过控制晶体电移台或管组电移台的移动，可将所需的倍频晶体或拉曼管移入或撤出激光光路，既满足了差分激光测污雷达测污时须用两个波长不同的激光束来探测一种污染气体浓度的要求，又使激光雷达的输出在极短的时间内可从一个波长转换至另一个波长，还使两个波长不同的激光束为同轴发射，从而省却了一套激光光源，即一只两路Q开关、一台激光器和一只同倍数的倍频晶体，极大地简化了雷达装置的结构和降低了造价；二是置于晶体电移台上的两只不同倍数的倍频晶体和管组电移台上三根平行设置的其中充有不同气体的拉曼管，经不同的组合，可使其输出七个波长不同的激光束，完全满足了常用的测污需求，即探测大气中的二氧化硫、二氧化氮、臭氧和气溶胶的浓度的要求，其最小探测浓度(ppb)分别为10、25、6和0.05km-1，最高空间分辨率(m)分别为7.5、7.5、7.5和7.5，最小探测浓度时的空间分辨率(m)分别为500、1000、500和7.5，最大/平均探测距离(km)分别为3/2、4/3、3/2和5/3；三是不同波长的激光束的同轴发射，不仅不存在回波盲区的问题，还可用同一只望远镜作为发射和接收之镜，这又可进一步简化雷达装置的结构和降低造价；四是在原充有甲烷气体的拉曼管中再混入导热系数较大的氦气、氖气、氢气、氮气、氩气和氘气，解决了甲烷气体因其导热系数小，在重复频率较高的脉冲激光的照射下，甲烷气体中吸收的热量很难即时地散发出去，加速了甲烷分子的离解，特别是在焦点附近由于温度过高而引起甲烷的快速热离解，从而产生大量的碳自由基，进而污染拉曼管的窗口之难题，经多次测试，测试时分别采用重复率为10～50Hz或连续输出、输出波长为266nm、能量为20～70mJ的激光单次连续照射8小时，拉曼管两端的窗口仍然是干干净净的。而且甲烷气体与氦气、氖气、氢气、氮气、氩气和氘气间的混合比例，以及混合气体的气压的选择，使混入的导热气体既未干扰甲烷气体产生斯特克斯光，在同等条件下又未降低拉曼管的功率输出；五是于拉曼管两端分别置有的会聚凸透镜、凹透镜和与其配套的准直凸透镜而共同组成的拉曼管光路可使拉曼管的管长缩短四分之一，拉曼管的光路(由会聚凸透镜到准直凸透镜)缩短五分之一，例如，在输入端会聚凸透镜的焦距为60厘米的情况下，若采用双凸透镜来使出射激光的发射角缩小为原来的1.2倍，则拉曼管的长度为176厘米，而采用凸凹凸透镜，既达到了同样的技术效果，又使拉曼管的长度仅为130厘米，拉曼管的光路为140厘米，其为雷达装置的小型化、车载化奠定了良好的基础。其二，发射接收部件的有益效果为，一是底座上置有可水平转动的镜筒，在该水平转动镜筒的侧壁上又置有可左右转动的镜筒，于两镜筒的端口分别固定着相互平行的平面反射镜，而水平转动平面反射镜与水平转动镜筒转轴间的夹角为45度，使得既可将测污用激光束经其发射出去，又使发射的激光束扫描的范围遍布于整个空间，即水平360度、垂直0～180度，还具有体积小，运转灵活的特点；二是底座中的于水平转动镜筒转轴线上依次置有的45度反射镜、光阑和接收镜，以及处于接收镜焦点处的光阑与另一端依次置有准直镜和光电倍增管的光纤相连接，使雷达装置的接收和发射只需使用前述的一套部件，大大地减小了体积和降低了造价。其三，控制处理部件的有益效果为，一是激光器的泵浦源的工作信号控制端、晶体步进电机控制器、管组步进电机控制器、水平转动步进电机控制器和左右转动步进电机控制器的控制信号输入端均与微型计算机电连接，使雷达装置的自动化程度大大地提升了；二是选用通用型的计算机和数模、模数转换器，来对激光器的泵浦源、步进电机进行控制和对采集的测污回波信号进行分析、处理，使得雷达装置的控制处理部件的通用性较强，使用和维护均便利。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是本发明中的频率变换部件的一种基本结构示意图；图2是本发明中的发射接收部件和控制处理部件的一种基本结构示意图。
具体实施例方式
参见图1、图2，雷达装置由激光器1和其光路上的频率变换部件、发射接收部件以及与其电连接的控制处理部件构成，其中，频率变换部件为工作平台2上依次固定有导轨(4)、会聚凸透镜22、导轨(7)、凹透镜23和准直凸透镜24以及步进电机(19，14)，激光器1也固定于工作平台2上；其中，激光器1为同轴输出1064nm和532nm两个波长的Nd:YAG激光器，导轨(4，7)的导轨走向与激光器1的输出光路相垂直。导轨4上置有与其动配合装配的电移台3，该电移台3经其上的螺母18与和步进电机19同轴连接的丝杠20动配合连接，电移台3上还固定有三倍频晶体5和四倍频晶体21。导轨7上置有与其动配合装配的电移台8，该电移台8经其上的螺母13与和步进电机14同轴连接的丝杠15动配合连接，电移台8上还固定有拉曼管组6，此拉曼管组6由充有甲烷的混合气体的拉曼管9、充有40千帕的氘气与50千帕的氦气的拉曼管10和充有130千帕的氢气与120千帕的氩气的拉曼管11组成，其中，拉曼管9中甲烷的混合气体的气压为3(可为1～5)兆帕、构成比例为甲烷∶氦气∶氖气∶氢气∶氮气∶氩气∶氘气为1∶0.5(可为0.4～0.6)∶0.3(可为0.2～0.4)∶0.3(可为0.2～0.4)∶1(可为0.9～1.1)∶0.8(可为0.7～0.9)∶0.1(可为0.05～0.15)。凹透镜23与准直凸透镜24组合后的焦距为会聚凸透镜22焦距的1.2(可为1.1～1.4)倍，其中，会聚凸透镜22的焦距为80(可为60～100)cm，凹透镜23的焦距为15(可为10～19)cm，准直凸透镜24的焦距为20(可为15～27)cm。步进电机(19，14)的输入端分别与步进电机控制器(17，16)的输出端电连接，步进电机控制器(17，16)的控制信号输入端与微型计算机52的I/O端口电连接，激光器1的泵浦源的工作信号控制端经微型计算机52的RS232端口与其电连接。
发射接收部件为底座31经滚珠轴承35与水平转动镜筒36动配合连接，固定于底座31上的步进电机33经蜗杆32与固定于水平转动镜筒36上的蜗轮34动配合连接，该步进电机33与蜗杆32是同轴连接的。水平转动镜筒36的侧壁经滚珠轴承38与左右转动镜筒39动配合连接，固定于水平转动镜筒36上的步进电机43经蜗杆42与固定于左右转动镜筒39上的蜗轮41动配合连接，该步进电机43与蜗杆42也是同轴连接的。水平转动镜筒36和左右转动镜筒39的端口分别固定有相互平行的平面反射镜(37，40)，平面反射镜37与水平转动镜筒36转轴间的夹角为45度。底座31中于水平转动镜筒36的转轴线上依次置有45度反射镜44、光阑50和接收镜51，其中，光阑50的孔径为0.9(可为0.3～1.2)mm，此光阑50位于接收镜51的焦点处，且与光纤45相连接，光纤45的另一端依次置有准直镜46和光电倍增管47。
控制处理部件为微型计算机52经其并行I/O端口与数模转换器53、模数转换器49电连接，经其RS232端口与激光器1的泵浦源电连接。数模转换器53分别与步进电机控制器(17，16)的输入端和步进电机(33，43)控制器的输入端电连接，模数转换器49经放大整形器48与光电倍增管47电连接。
使用时，根据需探测污染气体的种类，由微型计算机52自动地选择倍频晶体(5，21)和拉曼管(9，10，11)，通过快速移动电移台(3，8)，将选定的三倍频晶体5或四倍频晶体21置于激光器1的输出光路中，并将选定的两只拉曼管交替地置于激光器1的输出光路中，就可由相应的拉曼管获得探测该污染气体的波长的拉曼散射激光。如需测二氧化硫的浓度，则将选定的四倍频晶体21通过电移台3置于激光器1的输出光路中，并将选定的拉曼管9和拉曼管10交替地置于激光器1的输出光路中，由拉曼管9和拉曼管10可分别得到探测二氧化硫浓度所需波长的拉曼散射激光。该拉曼散射激光束经45度反射镜44射向平面反射镜(37，40)，并经平面反射镜40射入待测空间，因平面反射镜37是按水平转动镜筒36的转轴旋转的、而平面反射镜40是按左右转动镜筒39的转轴左右来回转动的，故只要雷达装置位于待测点附近，即雷达装置的探测半径达到待测点，就可探测到待测点的空气污染状况，并由微型计算机52分析、处理后输出。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，包括激光器(1)和其光路上的频率变换部件、发射接收部件，以及与激光器(1)、频率变换部件和发射接收部件电连接的控制处理部件，其特征在于1.1、所说频率变换部件为依次设置的置于电移台(3)上不同倍数的两只倍频晶体、会聚凸透镜(22)、置于电移台(8)上由三根平行设置的其中充有不同气体的拉曼管构成的拉曼管组(6)、凹透镜(23)和准直凸透镜(24)，所说电移台(3，8)分别与步进电机(19，14)相连接，所说步进电机(19，14)的输入端分别与步进电机控制器(17，16)的输出端电连接；1.2、所说发射接收部件为底座(31)与水平转动镜筒(36)动配合连接，固定于底座(31)上的步进电机(3 3)经蜗杆(32)与固定于水平转动镜筒(36)上的蜗轮(34)动配合连接，水平转动镜筒(36)的侧壁与左右转动镜筒(39)动配合连接，固定于水平转动镜筒(36)上的步进电机(43)经蜗杆(42)与固定于左右转动镜筒(39)上的蜗轮(41)动配合连接，水平转动镜筒(36)和左右转动镜筒(39)的端口分别固定有相互平行的平面反射镜(37，40)，所说平面反射镜(37)与水平转动镜筒(36)转轴间的夹角为45度，底座(31)中于水平转动镜筒(36)转轴线上依次置有45度反射镜(44)、光阑(50)和接收镜(51)，所说光阑(50)位于接收镜(51)的焦点处，且与光纤(45)相连接，所说光纤(45)的另一端依次置有准直镜(46)和光电倍增管(47)；1.3、所说控制处理部件为微型计算机(52)经其I/O端口分别与数模转换器(53)、模数转换器(49)电连接，其中，数模转换器(53)分别与激光器(1)的泵浦源、步进电机控制器(17，16)的输入端和步进电机(33，43)控制器的输入端电连接，模数转换器(49)经放大整形器(48)与光电倍增管(47)电连接。
2.根据权利要求1所述的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，其特征是电移台(3，8)分别与固定在工作平台(2)上的导轨(4，7)动配合连接，所说导轨(4，7)的走向垂直于激光器(1)的输出光路。
3.根据权利要求2所述的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，其特征是电移台(3，8)分别经丝杠螺母付与固定在工作平台(2)上的步进电机(19，14)相连接，其中，电移台(3)上的螺母(18)与和步进电机(19)同轴连接的丝杠(20)动配合连接，电移台(8)上的螺母(13)与和步进电机(14)同轴连接的丝杠(15)动配合连接。
4.根据权利要求1所述的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，其特征是倍频晶体为三倍频晶体(5)和四倍频晶体(21)。
5.根据权利要求1所述的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，其特征是拉曼管组(6)的拉曼管(9)中充有甲烷的混合气体、拉曼管(10)中充有40千帕的氘气与50千帕的氦气、拉曼管(11)中充有130千帕的氢气与120千帕的氩气，所说拉曼管(9)中甲烷的混合气体的气压为1～5兆帕、构成比例为甲烷∶氦气∶氖气∶氢气∶氮气∶氩气∶氘气为1∶0.4～0.6∶0.2～0.4∶0.2～0.4∶0.9～1.1∶0.7～0.9∶0.05～0.15。
6.根据权利要求1所述的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，其特征是凹透镜(23)与准直凸透镜(24)组合后的焦距为会聚凸透镜(22)焦距的1.1～1.4倍，其中，会聚凸透镜(22)的焦距为60～100cm，凹透镜(23)的焦距为10～19cm，准直凸透镜(24)的焦距为15～27cm。
7.根据权利要求1所述的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，其特征是底座(31)经滚珠轴承(35)与水平转动镜筒(36)动配合连接，水平转动镜筒(36)经滚珠轴承(38)与左右转动镜筒(39)动配合连接。
8.根据权利要求1所述的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，其特征是步进电机(33)与蜗杆(32)同轴连接，步进电机(43)与蜗杆(42)同轴连接。
9.根据权利要求1所述的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，其特征是光阑(50)的孔径为0.3～1.2mm。
10.根据权利要求1所述的基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置，其特征是激光器(1)为固体激光器或气体激光器或化学激光器或半导体激光器。
全文摘要
本发明公开了一种基于拉曼光源的车载测污激光雷达装置。它包括激光器(1)和其光路上的频率变换部件、发射接收部件，以及与其电连接的控制处理部件，特别是1.频率变换部件为依次设置的置于电移台(3)上不同倍数的两只倍频晶体、会聚凸透镜(22)、置于电移台(8)上由三根平行设置的其中充有不同气体的拉曼管构成的拉曼管组(6)、凹透镜(23)和准直凸透镜(24)；2.发射接收部件由发射器和接收器组成；3.控制处理部件为微型计算机(52)经I/O端口等分别与激光器(1)的泵浦源、步进电机(19，14，33，43)控制器的输入端、光电倍增管(47)电连接。它可快速、实时探测大气中的二氧化硫、二氧化氮、臭氧和气溶胶的浓度。
文档编号G02F1/39GK1877308SQ20051004047
公开日2006年12月13日 申请日期2005年6月7日 优先权日2005年6月7日
发明者张寅超, 胡欢陵, 谭锟, 陶宗明, 江庆五, 邵石生, 刘小勤, 胡顺星, 曹开法, 方欣, 兰举生, 岳古明, 周军, 樊仲维, 张改霞, 吕永辉, 洪光烈, 余涛华, 赵曰峰, 屈凯峰, 胡明勇 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所, 北京国科世纪激光技术有限公司