本发明涉及激光探测技术领域，特别涉及一种激光遥感探测系统及方法。
背景技术
目前，激光遥感探测技术已被广泛应用于有害气体浓度的探测中，尤其是像甲烷这种很难直接对其浓度进行测量的气体。激光遥感探测气体浓度主要有以下几点优势：测量精度高；测量速度比其他测量方法快、响应迅速；可实现现场测量；对周围环境的要求不高，恶劣的气体环境不会严重影响测量精度；该技术可以应用在例如甲烷、硫化氢等几十种常见的气体浓度检测中。
在激光遥感探测气体浓度(以下简称为激光气体遥测)的应用中，一般遥测的结果仅仅为气体的浓度，而无法获得遥测的距离。为了能够实现既可以进行气体浓度的遥测，又可以进行距离的遥测，现有技术中一般在激光气体遥测装置外加装一个激光测距装置来实现距离的测量，显然，通过加装激光测距装置虽然能够实现距离的遥测，但是由于附加了额外的设备导致了遥感探测装置整体结构更加的复杂，成本和体积均有很大的增加。
技术实现要素：
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种激光遥感探测系统及方法，以实现在不改变激光气体遥测装置的光学框架的基础上进行距离的遥测，简化结构，降低整体装置的成本并减小体积。
本发明的第一方面提供一种激光遥感探测系统，该系统包括：
激光发射单元和激光接收单元，所述激光发射单元用于发射探测激光，所述激光接收单元用于接收激光反射信号，并对所述反射信号进行处理后输出探测结果，
所述激光发射单元包括触发器、信号发生器、激光控制器和激光器，其中，
所述触发器，用于发送探测状态触发信号，以使得所述探测系统在第一探测状态和第二探测状态间交替，所述第一探测状态为距离测量状态，所述第二探测状态为气体浓度测量状态；所述探测状态触发信号包括第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号；
所述信号发生器，用于接收所述触发器发送的探测状态触发信号，根据所述探测状态触发信号产生调制信号，并将所述调制信号注入所述激光控制器，以使得所述激光控制器对所述激光器的输出调制；所述调制信号包括第一调制信号和第二调制信号，所述第一调制信号与所述第一探测状态触发信号相对应，所述第二调制信号与所述第二探测状态触发信号相对应。
进一步地，所述激光控制器根据所述第一调制信号对所述激光器输出的激光的光强进行调制，并使得所述激光器输出的激光的波长避开被测气体的特征吸收峰波长区域。
进一步地，所述第一调制信号包括至少两种频率的正弦波。
进一步地，所述激光控制器根据所述第二调制信号对所述激光器输出的激光的波长进行调制，以使得所述激光器的扫描波长范围覆盖被测气体的特征吸收峰波长。
进一步地，所述激光发射单元还包括外部调制晶体，所述外部调制晶体与所述激光器的输出端连接。
进一步地，所述激光接收单元包括光电探测器、鉴相器和信号处理器，其中，
所述光电探测器，用于接收激光反射信号，并将所述激光反射信号转换为电信号；
所述鉴相器的输入端分别与所述光电探测器和信号发生器连接，用于对从所述光电探测器接收的信号进行鉴相比较，并将比较后的信号发送给信号处理器；
所述信号处理器包括距离计算模块和气体浓度计算模块，所述距离计算模块与所述鉴相器的输出端连接，用于根据所述比较后的信号计算并输出距离探测结果；所述气体浓度计算模块，用于根据转换后的电信号计算并输出气体浓度探测结果。
本发明的第二方面提供一种激光遥感探测方法，该方法包括：
触发器交替发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号至信号发生器；
所述信号发生器接收所述第一探测状态触发信号或第二探测状态触发信号，根据所述第一探测状态触发信号或第二探测状态触发信号产生第一调制信号或第二调制信号，并将所述第一调制信号或第二调制信号注入激光控制器；
所述激光控制器根据所述第一调制信号或第二调制信号对激光器的输出调制。
进一步地，所述触发器交替发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号至信号发生器包括：
所述触发器按照预设的时间间隔交替发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号至信号发生器；或者，
所述触发器在接收到激光接收单元输出探测结果的信号之后，发送第一探测状态触发信号或第二探测状态触发信号至信号发生器。
进一步地，所述激光控制器根据所述第一调制信号或第二调制信号对激光器的输出调制包括：
所述激光控制器根据所述第一调制信号对激光器输出的激光的光强进行调制，并使得所述激光器输出的激光的波长避开被测气体的特征吸收峰波长区域；
所述激光控制器根据所述第二调制信号对激光器输出的激光的波长进行调制，以使得所述激光器的扫描波长范围覆盖被测气体的特征吸收峰波长。
进一步地，所述激光控制器根据所述第一调制信号对激光器的输出调制之后，所述方法还包括：
光电探测器接收激光反射信号，并将所述激光反射信号发送给鉴相器；鉴相器对从所述光电探测器接收的信号进行鉴相比较，并将比较后的信号发送给信号处理器的距离计算模块；所述信号处理器的距离计算模块根据所述比较后的信号计算并输出距离探测结果；
所述激光控制器根据所述第二调制信号对激光器的输出调制之后，所述方法还包括：
光电探测器接收激光反射信号，并将所述激光反射信号转换为电信号；信号处理器的气体浓度计算模块根据转换后的电信号计算并输出气体浓度探测结果。
本发明提供的一种激光遥感探测系统及方法带来的有益效果是：
本发明中的触发器可以交替的发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号至信号发生器，以使得本发明的激光遥感探测系统在第一探测状态(距离测量状态)和第二探测状态(气体浓度测量状态)间交替，即通过分时测量的方式实现距离测量和气体浓度测量两种功能。相较于现有技术中通过加装激光测距装置的方式，本发明在不改变激光气体遥测装置的光学框架的基础上实现了距离测量功能，简化了结构，降低了探测系统的成本并减小了体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的激光遥感探测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的激光遥感探测系统的一种适用探测光路图；
图3是本发明实施例提供的激光遥感探测系统的另一种适用探测光路图；
图中：1-透镜，2-被测气体，3-反射面，4-探测激光。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
请参考图1，其所示为本发明实施例提供的一种激光遥感探测系统的结构示意图，该激光遥感探测系统100可以通过分时测量的方式实现距离的遥测和气体浓度的遥测。
如图1所示，该激光遥感探测系统100包括激光发射单元10和激光接收单元20，激光发射单元10用于发射探测激光，激光接收单元20用于接收反射后的激光反射信号，并对该反射信号进行处理并输出探测结果。
请参考图2，其所示为本发明实施例提供的激光遥感探测系统的一种适用光路图。如图2所示，激光发射单元10发射的探测激光4穿射入被测气体2，其中有部分光可能会被气体吸收，这取决于射入被测气体的激光的波长。透过气体的激光到达反射面3，经反射面3反射回来一部分光，这部分光再次回穿被测气体2，由于光经过数次的反射、折射光束较为分散，所以通过在光路中设置透镜1将光束聚集起来，聚集后的光信号被激光接收单元20接收并处理。其中，透镜1可以为菲涅尔透镜，也可以为其它能够实现会聚作用的透镜。另外，透镜1可以是单个透镜，也可以是多个透镜组成的透镜组。
继续参阅图1，激光发射单元10包括相互连接的触发器101、信号发生器102、激光控制器103和激光器104。
激光器104可以采用可调谐二极管激光器，该激光器104作为探测光源，通过激光控制器103进行激光器104的温度和电流的控制，进而调节激光器104输出的激光的光强和中心波长。
触发器101与信号发生器102连接，该触发器101用于发送探测状态触发信号至信号发生器102，以使得激光遥感探测系统100在第一探测状态和第二探测状态间交替，其中，第一探测状态为距离测量状态，第二探测状态为气体浓度测量状态，相应的，上述探测状态触发信号包括第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号。当触发器101发送第一探测状态触发信号时，激光遥感探测系统100即处于第一探测状态(距离测量状态)，当触发器101发送第二探测状态触发信号时，激光遥感探测系统100即处于第二探测状态(气体浓度测量状态)。
在本发明实施例中，激光遥感探测系统100在第一探测状态和第二探测状态间交替具体的为，若当前激光遥感探测系统100处于第一探测状态，则当第一探测状态结束后，激光遥感探测系统100可以进入第二探测状态；若当前激光遥感探测系统100处于第二探测状态，则当第二探测状态结束后，激光遥感探测系统100可以进入第一探测状态，即本发明的激光遥感探测系统100既可以进行距离的遥测，也可以进行气体浓度的遥测，且距离的遥测和气体浓度的遥测可以在不同时刻进行。
在本发明实施例中，可以在触发器101中设置定时器，以使得触发器101按照预设的时间间隔交替发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号。需要说明的是，预设的时间间隔应满足激光遥感探测系统100完成某种探测状态下的测量。
在本发明实施例中，还可以将触发器101与激光接收单元20连接，该激光接收单元20在输出探测结果时，可以向触发器101发送输出探测结果的信号，触发器101接收激光接收单元20发送的输出探测结果的信号，并在接收到该信号之后，发送另一种探测状态触发信号。比如，当前激光遥感探测系统100处于第一探测状态(距离测量状态)，并且激光接收单元20输出了距离测量的结果，此时激光接收单元20可以向触发器101发送输出距离测量结果的信号，则触发器101在接收到输出距离测量结果的信号之后，发送第二探测状态触发信号至信号发生器102，以使得激光遥感探测系统100进入第二探测状态(气体浓度测量状态)。
信号发生器102的输入端与触发器101连接，其输出端与激光控制器103连接。信号发生器102用于接收触发器101发送的探测状态触发信号，并根据该探测状态触发信号产生相应的调制信号，将该调制信号注入到激光器控制器103中，以通过激光控制器103对激光器104的输出进行调制。信号发生器102产生的调制信号与其接受的探测状态触发信号相对应，当信号发生器102接收的为第一探测状态触发信号时，其产生第一调制信号；当信号发生器102接收的为第二探测状态触发信号时，其产生第二调制信号。
当激光遥感探测系统100处于第一探测状态时，为了避免探测激光被气体吸收以及其他调制信号的干扰，在本发明实施例中，激光控制器103根据第一调制信号对激光器104输出的激光的光强进行调制，并使得激光器104输出的激光的波长避开被测气体的特征吸收峰波长区域。如此，在进行距离测量时，激光器104输出的激光的波长将不在被测气体的吸收峰附近。
在本发明实施例中，对激光器104输出的激光的光强进行调制的第一调制信号包括至少两种频率的正弦波，以实现绝对距离的测量。具体的，可以参照如下公式获得绝对距离值，
(a*2pi+phase1)：(b*2pi+phase2)＝freq1：freq2
对于低频信号来说，通常可以取a＝0，因此，上述公式可以简化为：
phase1：(b*2pi+phase2)＝freq1：freq2
其中，freq1和freq2分别为两种频率的正弦波的频率；
phase1和phase2为与freq1和freq2相对应的相位偏移量，该相位偏移量可以通过鉴相器获得；
通过确定b可以获得绝对距离值。
在实际应用中，若需要提高距离测量的精度，则可以再增加一个更高的调制频率的正弦波，这样就能获得更加精确的相位延时量，从而获得更加精确的待测绝对距离值。
当激光器104不能满足输出激光的光强的调制时，激光发射单元10还可以包括外部调制晶体105，如图3所示，该外部调制晶体105与激光器104的输出端连接，用于对激光器104输出的激光的光强调制。在本发明实施例中，外部调制晶体105可以是电光晶体或者声光晶体。
当激光遥感探测系统100处于第二探测状态时，激光控制器103根据第二调制信号对激光器104输出的激光的波长进行调制，以使得激光器104的扫描波长范围覆盖被测气体的特征吸收峰波长。
在本发明实施例中，激光接收单元20可以包括光电探测器201、鉴相器202和信号处理器203。当然，该激光接收单元20还可以包括锁相放大器204。
光电探测器201用于接收激光反射信号，并将激光反射信息转换为电信号。该光电探测器201可以将转换后的电信号发送给鉴相器202。当激光接收单元20包括锁相放大器204时，光电探测器201还可以将转换后的电信号发送给锁相放大器204。光电探测器201可以设置在图2所示的光路中的透镜的光聚集位置上。
具体的，当激光遥感探测系统100处于第一探测状态时，光电探测器201用于接收激光反射信号，并将转换后的电信号发送给鉴相器202；当激光遥感探测系统100处于第二探测状态时，光电探测器201用于接收激光反射信号，并将转换后的电信号发送给信号处理器203，或者，光电探测器201先将该转换后的电信号发送给锁相放大器204。
鉴相器202的输入端分别与光电探测器201和信号发生器102连接，用于对从光电探测器201接收的信号进行鉴相比较，并将比较后的信号发送给信号处理器203。
当激光接收单元20包括锁相放大器204时，该锁相放大器204的输入端可以分别与光电探测器201和信号发生器102连接，用于对从光电探测器201接收的信号的解调，并将解调后的信号发送给信号处理器203。
信号处理器203包括距离计算模块2031和气体浓度计算模块2032，该距离计算模块2031与鉴相器202的输出端连接，用于根据比较后的信号计算并输出距离探测结果。
气体浓度计算模块2032，用于根据转换后的电信号计算并输出气体浓度探测结果。该气体浓度计算模块2032可以与光电探测器201的输出端连接，当激光接收单元20包括锁相放大器204时，该气体浓度计算模块2032还可以与锁相放大器204的输出端连接。
在本发明实施例中，距离的测量方法可以采用相位测距法，也可以采用脉冲激光的飞行时间来测量。
相位测距法为测出连续激光调制信号经过反射面前后信号之间的相位差来间接地测出信号的传播时间t，然后根据t求出目标距离l，具体的计算公式如下：
l＝c×t/2＝λ/2(n+δn)
其中，n为调制波的波长周期整数；δn为测线所包含调制波的不足半波长的小数部分(δn＝δφ/2π)。
脉冲式激光测距是基于激光在空气中传播速度不变的情况下测量激光到反射面间的往返时间，从而间接地测出目标距离。
在本发明实施例中，气体浓度的测量方法可以采用直接吸收法，也可以采用谐波法。
直接吸收法通过三角电流驱动激光器，使得激光器输出激光的波长均速扫描通过被测气体吸收谱线，通过提取探测激光中的气体吸收信号，分析信号幅值，可以获得气体浓度信息。
谐波法利用正弦电流来调制激光的波长，使得气体吸收信号会体现在调制频率的基频和倍频上，通过分析偶次谐波信号幅值，可以计算获得气体浓度信息。
本发明的激光遥感探测系统中，触发器可以交替的发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号至信号发生器，以使得本发明的激光遥感探测系统在第一探测状态(距离测量状态)和第二探测状态(气体浓度测量状态)间交替，即通过分时测量的方式实现距离测量和气体浓度测量两种功能。相较于现有技术中通过加装激光测距装置的方式，本发明在不改变激光气体遥测装置的光学框架的基础上实现了距离测量功能，简化了结构，降低了探测系统的成本并减小了体积。
实施例2
本实施例提供一种激光遥感探测方法，该方法可以采用实施例1中的激光遥感探测系统100。具体的，该激光遥感探测方法包括如下步骤：
s1，触发器交替发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号至信号发生器；
s2，信号发生器接收第一探测状态触发信号或第二探测状态触发信号，根据第一探测状态触发信号或第二探测状态触发信号产生第一调制信号或第二调制信号，并将第一调制信号或第二调制信号注入激光控制器；
s3，激光控制器根据第一调制信号或第二调制信号对激光器的输出调制。
当然，可以理解的，在步骤s3之后，激光器将调制后的激光进行发射，激光穿过被测气体后被反射面，然后按原方向返回并被光电探测器接收转变为电信号。
当触发器101发送的是第一探测状态触发信号时，激光遥感探测系统100进入第一探测状态(距离测量状态)，在该探测状态下，光电探测器201将激光反射信号转变为电信号后，将该电信号发送给鉴相器202；鉴相器202对从光电探测器201接收的信号进行鉴相比较，并将比较后的信号发送给信号处理器的距离计算模块2031；信号处理器的距离计算模块2031根据比较后的信号计算并输出距离探测结果。
在本发明实施例中，距离的测量方法可以采用相位测距法，也可以采用脉冲激光的飞行时间来测量。
相位测距法为测出连续激光调制信号经过反射面前后信号之间的相位差来间接地测出信号的传播时间t，然后根据t求出目标距离l，具体的计算公式如下：
l＝c×t/2＝λ/2(n+δn)
其中，n为调制波的波长周期整数；δn为测线所包含调制波的不足半波长的小数部分(δn＝δφ/2π)。
脉冲式激光测距是基于激光在空气中传播速度不变的情况下测量激光到反射面间的往返时间，从而间接地测出目标距离。
当触发器101发送的是第二探测状态触发信号时，激光遥感探测系统100进入第二探测状态(气体浓度测量状态)，在该探测状态下，光电探测器201将激光反射信号转变为电信号后，可以将该电信号直接发送给信号处理器的气体浓度计算模块2032，信号处理器的气体浓度计算模块2032根据上述信号计算并输出气体浓度探测结果。
需要说明的是，在第二探测状态下，光电探测器201将激光反射信号转变为电信号后，还可以将该电信号发送给锁相放大器204，由锁相放大器204对从光电探测器201接收的信号进行解调，并将解调后的信号发送给信号处理器的气体浓度计算模块2032，信号处理器的气体浓度计算模块2032根据上述解调后的信号计算并输出气体浓度探测结果。具体的可以根据气体浓度测量的方法选择电信号是否需要经过锁相放大器的解调处理。
在本发明实施例中，气体浓度的测量方法可以采用直接吸收法，也可以采用谐波法。
直接吸收法通过三角电流驱动激光器，使得激光器输出激光的波长均速扫描通过被测气体吸收谱线，通过提起探测激光中的气体吸收信号，分析信号幅值，可以获得气体浓度信息。
谐波法利用正弦电流来调制激光的波长，使得气体吸收信号会体现在调制频率的基频和倍频上，通过分析偶次谐波信号幅值，可以计算获得气体浓度信息。
在本发明实施例中，步骤s1中，触发器交替发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号至信号发生器可以选用如下两种方式：
方式一，触发器101按照预设的时间间隔交替发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号至信号发生器102。具体的，可以在触发器101中设置定时器，以使得触发器按照预设的时间间隔交替发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号。需要说明的是，预设的时间间隔应满足激光遥感探测系统100完成某种探测状态下的测量。
方式二，触发器101在接收到激光接收单元输出探测结果的信号之后，发送第一探测状态触发信号或第二探测状态触发信号至信号发生器102。具体的，可以将触发器101与激光接收单元20连接，该激光接收单元20在输出探测结果时，可以向触发器发送输出探测结果的信号，触发器101接收激光接收单元20发送的输出探测结果的信号，并在接收到该信号之后，发送另一种探测状态触发信号。比如，当前激光遥感探测系统100处于第一探测状态(距离测量状态)，并且激光接收单元20输出了距离测量的结果，此时激光接收单元20可以向触发器101发送输出距离测量结果的信号，则触发器101在接收到输出距离测量结果的信号之后，发送第二探测状态触发信号至信号发生器102，以使得激光遥感探测系统100进入第二探测状态(气体浓度测量状态)。
在本发明实施例中，步骤s2中，激光控制器根据第一调制信号对激光器的输出进行调制可以为激光控制器根据第一调制信号对激光器输出的激光的光强进行调制，并使得激光器输出的激光的波长避开被测气体的特征吸收峰波长区域。上述的第一调制信号包括至少两种频率的正弦波，以实现绝对距离的测量。如此，在进行距离测量时，激光器输出的激光的波长将不在被测气体的吸收峰附近，避免了探测信号被气体吸收以及其他调制信号的干扰，保证了距离测量的准确性和远距离测量。
具体的，可以参照如下公式获得绝对距离值，
(a*2pi+phase1)：(b*2pi+phase2)＝freq1：freq2
对于低频信号来说，通常可以取a＝0，因此，上述公式可以简化为：
phase1：(b*2pi+phase2)＝freq1：freq2
其中，freq1和freq2分别为两种频率的正弦波的频率；
phase1和phase2为与freq1和freq2相对应的相位偏移量，该相位偏移量可以通过鉴相器获得；
通过确定b可以获得绝对距离值。
在实际应用中，若需要提高距离测量的精度，则可以再增加一个更高的调制频率的正弦波，这样就能获得更加精确的相位延时量，从而获得更加精确的待测绝对距离值
在本发明实施例中，步骤s2中，激光控制器根据第二调制信号对激光器的输出进行调制可以为激光控制器根据所述第二调制信号对激光器输出的激光的波长进行调制，以使得所述激光器的扫描波长范围覆盖被测气体的特征吸收峰波长。
本发明的激光遥感探测方法中，触发器交替的发送第一探测状态触发信号和第二探测状态触发信号至信号发生器，以使得本发明的激光遥感探测系统在第一探测状态(距离测量状态)和第二探测状态(气体浓度测量状态)间交替，即通过分时测量的方式实现距离测量和气体浓度测量两种功能。相较于现有技术中通过加装激光测距装置的方式，本发明在不改变激光气体遥测装置的光学框架的基础上实现了距离测量功能，简化了结构，降低了探测系统的成本并减小了体积。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。