一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达的制作方法

本实用新型属于激光雷达探测大气领域，特别涉及一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达。

背景技术：

激光雷达由于其具有高时间分辨率和空间分辨率，被用于大气的精细探测。激光雷达通过向向空中发射激光，激光与大气中的物质作用后反射回地面，激光雷达信号接收系统接收回波信号，通过反演算法，计算出所需要的信息。

激光雷达发展几十年，气溶胶激光雷达已经进入了实用化和商品化阶段，但是从市场上的气溶胶激光雷达来看，主要存在以下几个方面的不足：激光雷达信号接收单元望远镜使用通用化的天文望远镜，体积庞大、造价高；使用工控机来接收处理数据，体积大、功耗高；系统发热大、没有配套的温控系统，环境适应性差；系统整体体积、重量大，不便于单人携带、部署，功耗大，必须外接电源；结构相对复杂、安装调试不方便。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达，结构简单，成本低，体积小，重量轻，便于携带，环境适应性强，能够自身独立完成探测和计算。

本实用新型技术方案一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达，包括一箱体，所述箱体内设置有激光发射单元、回波信号接收单元、信号采集单元、电源单元、温度控制单元和控制单元，所述激光发射单元包括激光器、安装于激光器的出光口前的扩束镜和安装于扩束镜的出光口前的楔镜，所述回波信号接收单元包括轴线与扩束镜平行设置的遮光筒、安装于遮光筒前端部的非球面镜、安装于遮光筒内的遮光环组和安装于遮光筒尾部的反射镜，所述反射镜与遮光筒轴线呈锐角夹角设置，反射镜的反射光路焦点处设置有小孔光阑，所述小孔光阑后部依次设置准直透镜、窄带滤光片和会聚透镜，所述信号采集单元包括光电探测器和信号采集卡，所述光电探测器的接收靶面位于会聚透镜的焦点处，所述控制单元包括工控主板和辅助控制电路，所述激光器、电源单元、信号采集单元和温度控制单元均与辅助控制电路连接。

优选地，所述箱体呈长方体状，所述遮光筒尾部设置有支撑脚，所述支撑脚远离遮光筒的端部与箱体一内侧面固定连接，箱体固定有支撑脚的内侧面外部设置有缓冲支架，箱体靠近遮光筒前端部的侧面上设置有光口，所述楔镜和非球面镜设置在光口处。

优选地，所述电源单元包括蓄电池和连接在蓄电池上的充电接口，所述蓄电池固定在设置有支撑脚的箱体侧面上。

优选地，所述缓冲支架包括与箱体外侧面固接的支撑弹簧和设置在支撑弹簧底部的垫板。

优选地，所述工控主板、激光器、扩束镜和楔镜均固定在遮光筒侧壁上，所述温度控制单元包括安装于箱体内部的温度传感器、固定在箱体侧面上的扇叶和驱动扇叶的电机，所述扇叶固定在箱体一侧面上背向箱体内部安装，所述温度传感器和电机均与辅助控制电路连接。

优选地，所述遮光环组包括至少三块相互平行且在遮光筒内由非球面镜至反射镜区间内间隔均匀分布设置的遮光环，经过遮光筒最后部的遮光环上的光全部进入反射镜。

优选地，所述激光器为波长1064nm、重复频率10khz小型半导体激光器。

优选地，所述非球面镜的直径为100mm。

优选地，所述楔镜为一对相互配合的楔镜。

本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型技术方案一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达，去除了传统的望远镜结构，降低设备整体的体积和重量；采用多个遮光环，抑制杂散光，有效提高了信号质量同时降低了设备的重量；采用1064nm波长、高重复频率的激光器，激光对气溶胶、云有更强的穿透能力，提升了激光雷达的探测距离，低脉冲能量的激光对人眼无伤害；集成温度控制系统，在保证激光雷达体积的前提下提升了激光雷达的环境适应性；整个激光雷达设备重量不超过20kg，方便单人携带、部署。

附图说明

图1为本实用新型一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达内部结构示

意图，图1中虚线代表光束、光路，点划线为部件轴线。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本实用新型技术方案，现结合说明书附图对本实用新型技术方案做进一步的说明。

如图1所示，一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达，包括一箱体1，箱体内设置有激光发射单元、回波信号接收单元、信号采集单元、电源单元、温度控制单元和控制单元；在箱体1内集成完成红外探测所有功能单元，使得板激光雷达能够独立完成探测和数据处理与运算，将低设备携带数量，同时也避免了设备之间的连接安装和调试，使得探测工作更加的简单和快捷，节省工作时间和降低工作强度。

如图1所示，一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达，激光发射单元包括激光器2、安装于激光器2的出光口前的扩束镜3和安装于扩束镜3的出光口前的楔镜4，楔镜为一对配合的楔镜，用于调节激光发射方向，激光器为波长1064nm、重复频率10khz小型半导体激光器，激光器3在辅助控制电路的驱动下，输出波长为1064nm的高重复频率的激光光束，激光光束经过扩束镜3进行扩束后进入大气。

如图1所示，一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达，回波信号接收单元包括轴线与扩束镜3平行设置的遮光筒5、安装于遮光筒5前端部的非球面镜6、安装于遮光筒5内的遮光环组7和安装于遮光筒5尾部的反射镜8，反射镜8与遮光筒5轴线呈锐角夹角设置，反射镜8的反射光路焦点处设置有小孔光阑9，小孔光阑9后部依次设置准直透镜10、窄带滤光片11和会聚透镜12；激光在传输过程中与大气的的气溶胶发生散射、吸收等作用，大部分的散射信号返回被回波信号接收单元的非球面镜6接收，非球面镜的直径为100mm，经过反射镜8、小孔光阑9、准直透镜10、窄带滤光片11、会聚透镜12到达探测器13探测靶面。

如图1所示，一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达，信号采集单元包括光电探测器13和信号采集卡23，光电探测器13的接收靶面位于会聚透镜12的焦点处，控制单元包括工控主板22和辅助控制电路，激光器2、电源单元、信号采集单元和温度控制单元均与辅助控制电路连接；光电探测器13将接收的光信号转换成电信号并输出到采集卡23，采集卡23将模拟电信号严格按照时序量化成数字信号存储在采集卡23内存上，并做简单地累加去噪处理，工控主板22与采集卡23连接，将采集卡23的信号记录在工控主板22的存储单元中，根据激光雷达方程，利用梯度法或小波分析法反演得出大气气溶胶边界层高度。

如图1所示，一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达，箱体1呈长方体状，便于箱体1整体搬运和携带，并便于其使用时固定；遮光筒5尾部设置有支撑脚19，支撑脚19远离遮光筒5的端部与箱体1一内侧面固定连接，将遮光筒5在箱体1内侧固定，避免遮光筒5在搬运携带等过程中出现晃动等问题，避免其上的光学元器件发生振动和碰撞等；箱体1固定有支撑脚19的内侧面外部设置有缓冲支架21，箱体1靠近遮光筒5前端部的侧面上设置有光口14，楔镜4和非球面镜6设置在光口14处，光口14用于对光路的经过，缓冲支架21实现在箱体放置过程中进行缓冲，实现对箱体1要求的轻拿轻放，保护箱体1内部的光学元器件。

如图1所示，电源单元包括蓄电池18和连接在蓄电池18上的充电接口，蓄电池18固定在设置有支撑脚19的箱体1侧面上；蓄电池18为箱体1内所有需电元气件和单元供电，避免外接电源，提高本激光雷达环境适应性。

如图1所示，缓冲支架21包括与箱体1外侧面固接的支撑弹簧和设置在支撑弹簧底部的垫板；缓冲支架21有效的降低了箱体在提起和放下过程中发生的振动，保护其内的光学元器件。

如图1所示，工控主板22、激光器2、扩束镜3和楔镜4均固定在遮光筒5侧壁上，温度控制单元包括安装于箱体1内部的温度传感器17、固定在箱体1侧面上的扇叶15和驱动扇叶15的电机16，扇叶15固定在箱体一侧面上背向箱体1内部安装，温度传感器17和电机16均与辅助控制电路连接；温度传感器17检测箱体1内温度，并将箱体1内温度传递给工控主板，辅助控制电路控制电机16工作与停止，实现对箱体1内降温，提高本激光雷达环境适应性。

如图1所示，遮光环组7包括至少三块相互平行且在遮光筒内由非球面镜6至反射镜8区间内间隔均匀分布设置的遮光环，经过遮光筒5最后部的遮光环上的光全部进入反射镜8。

如图1所示，一种便携式气溶胶边界层红外探测激光雷达，工作原理：

激光器2在辅助控制电路的驱动下，输出波长为1064nm的高重复频率的激光光束，激光光束经过扩束镜3进行扩束后再经过楔镜4进行改变光束方向，最终进入大气；激光在传输过程中与大气的的气溶胶发生散射、吸收等作用，大部分的散射信号返回被接收单元的非球面镜6接收，经过遮光环组7将杂散光去除，经过反射镜8进行反射，改变光路，经过小孔光阑9，小孔光阑9控制激光雷达接收视场角，抑制杂散光，后经过准直透10，准直透镜10将接收到的光变为平行光，经过窄带滤光片11，窄带滤光片11透过1064nm波长的光信号，滤除其他波长光信号，后经过会聚透镜12，会聚透镜12将平行光信号汇聚到探测器13靶面，探测器13将光信号转换成电信号，输出到采集卡23，采集卡23将模拟电信号严格按照时序量化成数字信号存储在采集卡23内存上，并做简单地累加去噪处理，工控主板22与采集卡23连接，将采集卡23的信号记录在存储单元中，最后根据激光雷达方程，利用梯度法或小波分析法反演得出大气气溶胶边界层高度。

激光雷达接收到的回波信号可以用米散射激光雷达方程表示：

式中:p(r)是激光雷达接收到距离r处气溶胶粒子和空气分子的后向散射回波信号；p0是激光发射能量；c是激光雷达系统常数；y(r)是几何因子；ua(r)和um(r)分别是大气气溶胶粒子和大气分子后向散射系数；

分别是大气气溶胶粒子与大气分子透过率；ta(r)和tm(r)分别为大气气溶胶粒子和大气分子消光系数。大气气溶胶的消光系数由fernald方法反演获得。大气气溶胶光学厚度

它由气溶胶消光系数求积分得到。

梯度法激光雷达距离平方校正回波信号(prr)廓线强度对应于相应高度大气气溶胶浓度的大小。由于覆盖逆温的作用，使得大量的大气气溶胶粒子富集在大气边界层以内，这样，大气边界层到自由大气层之间大气气溶胶的浓度就会发生变化。prr廓线梯度变化代表着大气气溶胶浓度梯度的变化。同时气溶胶消光系数呈现明显的衰减，这个梯度变化最大和气溶胶消光系数明显变小的位置就是大气边界层的高度。实际确定大气边界层高度时，配合使用观察法。

由(1)式可得prr的表达式如下:

它的一阶导数可表示为

dev(r)＝d[p(r)r²]/dr

dev(r)廓线最小值对应的高度就是大气边界层的高度，在此高度上，大气气溶胶粒子浓度的梯度变化最大。

本实用新型技术方案在上面结合附图对实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。