大气污染物空间分布激光主动探测系统及方法与流程

本发明属于大气污染物技术领域，特别是涉及大气污染物空间分布激光主动探测系统及方法。

背景技术：

大气污染物的时空分布及其浓度与污染物排放源的分布、排放量及地形、地貌、气象等条件密切相关。气象条件如风向、风速、大气湍流、大气稳定度总在不停的改变，故污染物的稀释与扩散情况也不断变化。同一污染源对同一地点在不同时间所造成的地面空气污染浓度往往相差数十倍；同一时间不同地点也相差甚大。一次污染物和二次污染物浓度在一天之内也不断地变化。一次污染物因受逆温层及气温、气压等限制，清晨和黄昏浓度较高，中午较低；二次污染物如光化学烟雾，因在阳光照射下才能形成，故中午浓度较高，清晨和夜晚浓度低。风速大，大气不稳定，则污染物稀释扩散速度快，反之，稀释扩散慢，浓度变化也慢。污染源的类型、排放规律及污染物的性质不同，其空间分布特点也不同。

激光雷达是以激光为搜索光源，通过探测激光与被探测无相互作用的光波信号来遥感测量的.使用振动拉曼技术进行测量的激光雷达技术即为拉曼激光雷达，主要用于大气遥感测量。拉曼激光雷达属于遥感技术的一种。激光雷达作为一种主动遥感探测技术和工具已有近50年的历史，目前广泛用于地球科学和气象学、物理学和天文学、生物学与生态保持、军事等领域。其中，传统意义上的激光雷达主要用于陆地植被监测、激光大气传输、精细气象探测、全球气候预测、海洋环境监测等。随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展，激光雷达在遥感探测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。

现有技术的激光雷达探测大气的基本原理即是利用激光与大气相互作用的机制。激光器产生的激光束经光束准直(有的情况下需要扩束)后发射到大气中，激光在大气中传输遇到空气分子、气溶胶等成分便会发生散射、吸收等作用。散射中的小部分能量——后向散射光落入接收望远镜视场被接收。被接收到的后向散射光传输到光电探测器(通常为PMT)被转换成电信号(一般为电流信号)，实现光-电转换，再经一系列的运算放大，最终被显示、记录。对于不同高度的信号，利用激光信号传输时间间隔来记录，光速c已知，便可换算成距离。如果接收到的是回波点数，乘以系统距离分辨率即得高度。这样就获得了激光雷达P-z数据，利用激光雷达方程结合相关算法便可反演出相关大气特性，如大气垂直消光廓线、气体浓度、成分以及温度廓线等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供大气污染物空间分布激光主动探测系统及方法，通过针对激光雷达探测大气颗粒物的设备设计一种空间转换结构，便于随车携带，并且采用多角度、循环探测大气空间的污染物，通过调节一些列等分的倾斜角度，使得对大气空间的一圆环形区域进行大气污染物的探测，解决了现有的激光雷达探测准确性低、易受外界因素影响等问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为大气污染物空间分布激光主动探测系统，包括控制单元、激光发射单元、光学接收单元、信号探测和采集单元、空间转换单元；所述激光发射单元包括激光器、二倍频晶体、三倍频晶体、起偏器、扩束器、发射器，激光器的控制端接入控制单元，三倍频晶体的出射光经过全反镜射入起偏器，扩束器的出射光经过发射器中两光学反射镜反射后垂直发射至大气；所述光学接收单元包括光学接收望远镜；所述信号探测和采集单元包括数据采集器和探测器电源，所述数据采集器的输出端电连接至控制单元；所述空间转换单元包括水平承载机构和垂直摆动机构；所述垂直摆动机构固定在水平承载机构上，所述垂直摆动机构的摆动幅度在0°-25°。

进一步地，所述水平承载机构包括回转支撑和第一底座；所述回转支撑固定在第一底座上，所述第一底座为一圆形金属板。

进一步地，所述所述垂直摆动机构包括第二底座和第三底座；

所述第二底座与第三底座通过铰座连接，所述铰座位于第二底座的底部。

所述第二底座与第三底座之间还连接有伸缩机构；所述伸缩机构位于第二底座的一侧，通过伸缩机构调节第二底座的水平倾斜角度，从而使激光发射单元的激光器发射的光线发生偏移，进行对空间的局部扫面，并且使得光学接收单元与激光器同步，接收后散射的光信号。

进一步地，所述伸缩机构采用电动伸缩杆；所述电动伸缩杆的一端通过铰接的方式固定在第二底座上，所述电动伸缩杆的一端通过铰接的方式固定在第三底座上；所述第二底座上固定有保护罩；所述保护罩为一螺旋钢带保护套。

大气污染物空间分布激光主动探测方法，包括如下步骤：

步骤一，控制单元根据控制软件设置参数，通过串口控制激光器工作，激光器出射单脉冲激光，依次经过二倍频晶体、三倍频晶体以及起偏器，最终出射单脉冲355nm脉冲激光，出射的355nm脉冲激光经过全反镜反射进3倍率扩束镜，扩束后的355nm脉冲激光被发射器内的两块二维光学调整架上光学反射镜垂直发射至大气中；

步骤二，通过光学接收单元中的光学接收望远镜收集反演大气温度、水汽和气溶胶的光学特征波长大气后向散射光信号；

步骤三，分别步骤二中的光信号会聚透镜会聚至直径8mm的光电倍增管阴极面上，实现光电转换；光电倍增管电信号通过BNC信号线输入给数据采集器；

步骤四，在数据采集器计数到控制软件设置的采样数后，控制单元通过网线将数据采集器缓存中的测量原始数据读取到本地硬盘中，同时通过数据反演软件数据处理得到大气温度、水汽和气溶胶光学特性垂直廓线并展现在显示屏上；

步骤五，通过给控制单元发出空间转换测量命令，而后控制单元将空间转换命令通过串口发给空间转换单元；

步骤六，在空间转换单元接收到空间转换命令后，首先将垂直摆动机构转动一角度α₀；然后启动水平承载机构，使得垂直摆动机构旋转一周；

步骤七，再依次将垂直摆动机构转动α₁、α₂、……，α_n。

进一步地，所述步骤六，在空间转换单元接收到空间转换命令后，首先将垂直摆动机构转动一角度α₀；然后启动水平承载机构，使得垂直摆动机构旋转一周；其中，0.5°＜α₀＜1°。

进一步地，所述步骤七，再依次将垂直摆动机构转动α₁、α₂、……，α_n，其中n为1，2,……，25；其中，0°＜α＜1°。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过针对激光雷达探测大气颗粒物的设备设计一种空间转换结构，用于提高该激光雷达探测的范围和准确性，该探测机构简单，易于控制，便于随车携带，具有很好的地理区域适应性。

2、本发明通过以激光雷达探测大气颗粒物为基础，采用多角度、循环探测大气空间的污染物，通过调节一些列等分的倾斜角度，使得对大气空间的一圆环形区域进行大气污染物的探测，具有探测范围广泛，准确性高，避免外界温度、风等因素的影响。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明的大气污染物空间分布激光主动探测系统图；

图2为空间转换单元的结构示图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明为大气污染物空间分布激光主动探测系统，包括控制单元、激光发射单元、光学接收单元、信号探测和采集单元、空间转换单元；激光发射单元包括激光器、二倍频晶体、三倍频晶体、起偏器、扩束器、发射器，激光器的控制端接入控制单元，三倍频晶体的出射光经过全反镜射入起偏器，扩束器的出射光经过发射器中两光学反射镜反射后垂直发射至大气；光学接收单元包括光学接收望远镜；信号探测和采集单元包括数据采集器和探测器电源，数据采集器的输出端电连接至控制单元；空间转换单元包括水平承载机构和垂直摆动机构；垂直摆动机构固定在水平承载机构上，垂直摆动机构的摆动幅度在0°-25°。

专利文献ZL201510254035.2《单波长四拉曼激光雷达探测系统及探测方法》公开了一种通过固定式单区域的单波长四拉曼激光雷达探测大气温度、水汽和气溶胶的技术。

其中如图2所示，水平承载机构包括回转支撑1和第一底座3；回转支撑1固定在第一底座3上，第一底座3为一圆形金属板。垂直摆动机构包括第二底座4和第三底座7；第二底座4与第三底座7通过铰座6连接，铰座6位于第二底座4的底部。第二底座4与第三底座7之间还连接有伸缩机构2；伸缩机构2位于第二底座4的一侧，通过伸缩机构2调节第二底座4的水平倾斜角度，从而使激光发射单元的激光器发射的光线发生偏移，进行对空间的局部扫面，并且使得光学接收单元与激光器同步，接收后散射的光信号。

其中，伸缩机构2采用电动伸缩杆；电动伸缩杆的一端通过铰接的方式固定在第二底座4上，电动伸缩杆的一端通过铰接的方式固定在第三底座7上；第二底座4上固定有保护罩5；保护罩5为一螺旋钢带保护套，主要用于保护固定在第二底座4上的激光发射单元和光学接收单元。

大气污染物空间分布激光主动探测方法，包括如下步骤：

步骤一，控制单元根据控制软件设置参数，通过串口控制激光器工作，激光器出射单脉冲激光，依次经过二倍频晶体、三倍频晶体以及起偏器，最终出射单脉冲355nm脉冲激光，出射的355nm脉冲激光经过全反镜反射进3倍率扩束镜，扩束后的355nm脉冲激光被发射器内的两块二维光学调整架上光学反射镜垂直发射至大气中；

步骤二，通过光学接收单元中的光学接收望远镜收集反演大气温度、水汽和气溶胶的光学特征波长大气后向散射光信号；

步骤三，分别步骤二中的光信号会聚透镜会聚至直径8mm的光电倍增管阴极面上，实现光电转换；光电倍增管电信号通过BNC信号线输入给数据采集器；

步骤四，在数据采集器计数到控制软件设置的采样数后，控制单元通过网线将数据采集器缓存中的测量原始数据读取到本地硬盘中，同时通过数据反演软件数据处理得到大气温度、水汽和气溶胶光学特性垂直廓线并展现在显示屏上；

步骤五，通过给控制单元发出空间转换测量命令，而后控制单元将空间转换命令通过串口发给空间转换单元；

步骤六，在空间转换单元接收到空间转换命令后，首先将垂直摆动机构转动一角度α₀；然后启动水平承载机构，使得垂直摆动机构旋转一周；

步骤七，再依次将垂直摆动机构转动α₁、α₂、……，α_n。

其中，步骤六，在空间转换单元接收到空间转换命令后，首先将垂直摆动机构转动一角度α₀；然后启动水平承载机构，使得垂直摆动机构旋转一周；其中，0.5°＜α₀＜1°。

其中，步骤七，再依次将垂直摆动机构转动α₁、α₂、……，α_n，其中n为1，2,……，25；其中，0°＜α＜1°，通过调节一些列等分的倾斜角度，使得对大气空间的一圆环形区域进行大气污染物的探测，具有探测范围广泛，准确性高，避免外界温度、风等因素的影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。