基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]此發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域為環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，監(jiān)測大氣氣溶膠粒子如塵、灰霾、云等，獲得大氣氣溶膠粒子消光系數(shù)、邊界層高度、云底高度、氣溶膠光學厚度等大氣環(huán)境參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光雷達是利用激光遙感技術(shù)，以激光作為光源，通過發(fā)射天線對激光進行準直擴束，發(fā)射到大氣中，激光與大氣氣溶膠粒子相互作用，被散射與吸收，后向散射信號被激光雷達接收光學天線接收，通過反演算法得到大氣分子和氣溶膠粒子的信息。
[0003]激光雷達可以獲得高空大氣氣溶膠粒子的信息，是灰霾監(jiān)測與預警不可缺少的技術(shù)手段，目前環(huán)境監(jiān)測激光雷達發(fā)展迅速，但在已公開專利或文獻中，尚未看到能夠進行在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)募す饫走_報道，已經(jīng)公開的相關(guān)專利文獻中，描述的激光雷達一般用于科學研或究實驗室監(jiān)測，只能單機運行，數(shù)據(jù)集成傳輸困難，如中國的一項發(fā)明CN100360957C (公開日2008.01.09)實現(xiàn)了連續(xù)自動無人值守探測，但是該發(fā)明需要外置主控計算機，這就決定了數(shù)據(jù)傳輸無法像在線監(jiān)測儀器那樣方便，體積龐大，無法戶外獨立運行，另一個中國的發(fā)明CN201527471U (公開日2010.07.14)，該發(fā)明描述了一種將激光雷達電源模塊、工業(yè)控制計算機模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、多光束分束等模塊放入一個機柜中，實現(xiàn)小型化與模塊化設(shè)計，同樣是簡單結(jié)構(gòu)的整合，同樣適用了工業(yè)控制計算機，無法實現(xiàn)高度集成、數(shù)據(jù)在線傳輸。歸納一下現(xiàn)有激光雷達的不足:首先是系統(tǒng)復雜、體積龐大、限制了應(yīng)用區(qū)域；其次是對安裝環(huán)境要求高，需要為激光雷達建立站房，這就增加了使用成本，第三是所有的激光雷達都是實驗室分析儀器，數(shù)據(jù)無法現(xiàn)在傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，無法實現(xiàn)在線監(jiān)測，限制了激光雷達大范圍聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測。
[0004]本發(fā)明專利中設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)的激光雷達系統(tǒng)，采用了嵌入式板卡，這是與其他專利的根本區(qū)別。嵌入式板卡、光電探測單元、數(shù)控采集單元等所有單元被集成于IP65防護等級的雷達外殼中，數(shù)據(jù)傳輸單元以無線或有線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，通過互聯(lián)網(wǎng)，利用客戶端軟件查看、控制雷達運行，本發(fā)明專利中的在線監(jiān)測激光雷達可以作為空氣在線監(jiān)測遙感儀器，開機自動工作，數(shù)據(jù)自動傳輸，戶外全天候運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服常規(guī)氣溶膠監(jiān)測激光雷達的上述缺點和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高集成度、高可靠性、可在線工作的氣溶膠監(jiān)測激光雷達。
[0006]基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達，主要由光電探測分系統(tǒng)、數(shù)控采集分系統(tǒng)、溫度控制單元、位置姿態(tài)監(jiān)控單元、電源、掃描單元組成，其中光電探測分系統(tǒng)包括激光源、發(fā)射光學天線、接收光學天線、空間濾波器、窄帶濾光片、偏振模塊、單光子探測器；數(shù)控采集分系統(tǒng)包括多道光子計數(shù)器、嵌入式板卡、數(shù)據(jù)存儲單元、數(shù)據(jù)傳輸單元；位置姿態(tài)監(jiān)控單元由GPS模塊、電子羅盤組成；溫度控制單元為雷達提供工作環(huán)境保障；環(huán)境監(jiān)控單元記錄雷達外部環(huán)境溫度、濕度、氣壓信息；雷達外殼為IP65防護等級；電源安裝在外殼內(nèi)部，為其他單元供電。
[0007]除了環(huán)境監(jiān)控單元，以上各單元全部安裝于雷達外殼中構(gòu)成雷達主機，雷達主機連接GPS天線接收地理位置信號，溫度控制單元控制雷達工作溫度，雷達主機后面板連接電源線，數(shù)據(jù)線，雷達外殼安裝數(shù)據(jù)傳輸天線，電源線連接外部電源為雷達供電，雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過有線或無線進行傳輸。
[0008]基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達，所述的光電探測分系統(tǒng)中，激光源后安裝光學發(fā)射天線，光學發(fā)射天線為伽利略望遠鏡結(jié)構(gòu)，激光束與光學發(fā)射天線中心同軸，接收光學天線為卡塞格林式望遠鏡，主鏡焦點處安裝空間濾波器，濾波器后依次安裝準直器、窄帶濾光片、偏振模塊、單光子探測器，光電信號被數(shù)控采集分系統(tǒng)的多道光子計數(shù)器采集，多道光子計數(shù)器通過USB線纜與嵌入式板卡連接。位置姿態(tài)單元中的GPS模塊安裝于激光雷達外殼內(nèi)，一端通過同軸電纜與GPS天線連接，另一端通過RS232與嵌入式板卡連接，電子羅盤安裝于望遠鏡上，可以獲取方位信息，電子羅盤通過RS232與嵌入式板卡連接，數(shù)據(jù)存儲單元通過SATA數(shù)據(jù)線與嵌入式板卡連接，溫度控制單元安裝在后面板上，實時控制儀器內(nèi)部工作溫度。
[0009]基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達，雷達主機安裝在固定支架上實現(xiàn)固定觀測模式；如果安裝在二維云臺構(gòu)成雷達掃描模式，進行水平或垂直以及三維掃描，從而實現(xiàn)雷達對大氣氣溶膠垂直剖面或水平剖面以及立體空間的監(jiān)測，獲取的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸單元傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，從而實現(xiàn)對大氣氣溶膠的在線監(jiān)測。
[0010]基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達，其發(fā)射光學天線為三片鏡組成的望遠系統(tǒng)，其口徑為45mm。各透鏡鍍532nm增透膜，雙面反射率〈1%。
[0011]基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達，其光學接收天線的焦距為1200mm，口徑為160mm，主鏡與次鏡鍍高反射介質(zhì)膜，反射率>99%。
[0012]基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達，發(fā)射光學天線與接收光學天線連接在一起成為一整體，發(fā)射光通過折轉(zhuǎn)鏡實現(xiàn)發(fā)射光軸與接收光軸同軸，兩軸的安裝誤差〈0.02mrad。
[0013]基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達，其嵌入式板卡預裝操作系統(tǒng)，安裝雷達控制采集后臺軟件，開機自動運行，嵌入式板卡處理器頻率為1.8GHZ,緩存為4GB，嵌入式板卡有 USB2.0、RS232、TCP/IP 接口。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
[0015]圖2為基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達的工作流程圖。
[0016]圖3為圖基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達垂直觀測結(jié)果。
[0017]圖4為基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達水平掃描結(jié)果。
[0018]主要元器件符號說明:1-激光源2-發(fā)射光學天線3-準直鏡4-窄帶濾光片5-偏振模塊6-單光子探測器7-多道光子計數(shù)器8-GPS模塊9-嵌入式板卡10-電子羅盤11-電源12-數(shù)據(jù)傳輸單元13-溫度控制單元14-接收光學天線15-掃描單元16-夕卜殼17-折轉(zhuǎn)鏡18-中心反射鏡19-空間濾波器20-數(shù)據(jù)存儲單元21-GPS天線22-數(shù)據(jù)傳輸天線23-環(huán)境參數(shù)監(jiān)控單元。
【具體實施方式】
[0019]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖，基于嵌入式系統(tǒng)的氣溶膠在線監(jiān)測激光雷達，主要由光電探測分系統(tǒng)、數(shù)控采集分系統(tǒng)、溫度控制單元13、電源11、外殼16、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控單元23、掃描單元15組成；其中光電探測分系統(tǒng)、數(shù)控采集分系統(tǒng)、位置姿態(tài)監(jiān)控單元、溫度控制單元13、電源11全部安裝于外殼16內(nèi)，環(huán)境參數(shù)監(jiān)控單元23安裝在外殼外部，掃描單元15與外殼16連接,可以驅(qū)動外殼16水平或垂直掃描。
[0020]光電探測分系統(tǒng)包括激光源1、發(fā)射光學天線2、接收光學天線14、折轉(zhuǎn)鏡17、中心反射鏡18、空間濾波器19、窄帶濾光片4、準直鏡3、偏振模塊5、單光子探測器6,發(fā)射光學天線2與接收光學天線14連接在一起，發(fā)射光通過折轉(zhuǎn)鏡17、中心反射鏡18的反射，使得發(fā)射光軸與接收光軸同軸，兩軸的安裝誤差〈0.02mrad，光電探測分系統(tǒng)所有部件通過機械裝置剛性連接在一起，成為一個整體。
[0021]數(shù)控采集分系統(tǒng)包括多道光子計數(shù)器7、嵌入式板卡9、數(shù)據(jù)存儲單元20、數(shù)據(jù)傳輸單元12，多道光子計數(shù)器7通過USB2.0接口與嵌入式板卡9連接，數(shù)據(jù)存儲單元通過SATA數(shù)據(jù)線與嵌入式板卡連接，數(shù)據(jù)傳輸單元12與嵌入式板卡9通過PCIE接口連接，數(shù)據(jù)傳輸天線22與數(shù)據(jù)傳輸單元12通過BNC線纜連接。
[0022]位置姿態(tài)監(jiān)控單元由GPS模塊8、電子羅盤10組成，電子羅盤10與GPS分別通過RS232與嵌入式板卡9連接，GPS天線21通過BNC線纜與GPS模塊8連接。
[0023]溫度控制單元13安裝在外殼16上，電源11與單光子探測器6、溫度控制單元13、嵌入式板卡9、數(shù)據(jù)傳輸單元12通過線纜連接。
[0024]環(huán)境參數(shù)監(jiān)控單元23安裝于外殼外部，通過數(shù)據(jù)線與嵌入式板卡連接，實時監(jiān)控儀器外部環(huán)境參數(shù)，為反演消光系數(shù)提供環(huán)境參數(shù)。
[0025]基于嵌入式系