一种扫描机构及无盲区大气臭氧探测系统的制作方法

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种扫描机构和一种无盲区大气臭氧探测系统。

背景技术：

近年来，随着各种颗粒物污染防治措施的实施，pm2.5、pm10等浓度呈现逐年下降的趋势，大气变得越来越干净。然而伴随着太阳紫外线穿透力的增强，另外一种看不见的臭氧污染逐渐变成了夏季的主要污染，相比于颗粒物污染来说，臭氧的污染防治具有看不见、成因复杂、难预防的特征，成为中国乃至世界的防治难点。

目前地面臭氧的监测主要依靠臭氧分析仪等监测方法，该方法能够对于地面的大气臭氧浓度、变化趋势等进行统计分析，对于近地面区域范围内的臭氧浓度探测来说，传统的探测方法包括携带臭氧传感器的探空气球、系留飞艇等探测方法，这些方法具有探测时间长、人工成本高、场地范围大、无法连续长时间作业等特点。大气臭氧探测激光雷达是近年来发展出的一种新的探测臭氧廓线的技术手段，它利用差分探测原理利用臭氧对于不同波长的吸收程度不同来反演臭氧浓度，具有时效性高、可连续无人值守探测等特点，越来越受到环境监测部门的重视。在当前的大气臭氧探测激光雷达中，由于近地面(一般在0～300m范围内)光学结构设计等的限制，存在光学信号无法被完全接收的问题，导致近端的臭氧浓度反演误差过大而无法实际应用的问题，这在激光雷达的系统中称为“盲区”。

技术实现要素：

因此，本实用新型的目的是提供一种性价比高，还可保证射向大气的激光光斑质量及后向散射信号强度的扫描镜。同时，本实用新型还提供一种近地面臭氧浓度等相关参数可测的无盲区大气臭氧探测系统。

本实用新型提供的一种扫描机构，包括：

扫描镜，以一支点为轴点在与水平面呈0～90°的范围内转动，出射光垂直射出或经所述扫描镜反射。

可选地，所述扫描镜为一反射镜，所述反射镜包括设于外部的反射镜第一部分和分隔设置于中部的反射镜第二部分，所述反射镜第一部分的rms值小于1/40λ；所述反射镜第二部分的rms值小于1/100λ。

可选地，所述反射镜第一部分呈轴线对称，其中部具圆形缺口，所述反射镜第二部分为与反射镜第一部分圆形缺口相适配的圆形镜面且其边缘与所述反射镜第一部分的圆形缺口边缘分离，所述反射镜第一部分和反射镜第二部分可分别转动。

可选地，所述反射镜第一部分和反射镜第二部分之间的间隔距离为2mm。

可选地，所述反射镜第一部分与水平倾角为50°时，水平投影为正八边形；反射镜第二部分与水平倾角为50°时，水平投影为圆形。

可选地，所述反射镜第一部分和反射镜第二部分的镜面材料为bk7；所述反射镜第一部分的镜面镀膜为金属膜，所述反射镜第二部分的镜面镀膜为介质膜。

一种无盲区大气臭氧探测系统，包括依次光路相接的：

激光器；

拉曼管，产生所需要的波长；

扩束器，将所述激光器出射的光束扩束；

反射镜，对光束转向，改变光路；

扫描镜，使得从反射镜的出射光垂直或再次反射射出；

望远镜，接收后向散射的气体分子光信号；

滤光、分光元件，过滤过多的背景光并导入至分光光路中；

探测器及采集、处理、控制模块，将光信号转换为电信号并进行采集传输并处理。

可选地，所述激光器产生的激光波长为266nm，所述拉曼管内产生289nm和316nm的拉曼光，上述三个波长光分别进入三个探测器内，将光信号转变为电信号。

所述扫描镜具有上述的扫描镜结构，以一支点为轴点在0～90°范围内转动，出射光垂直射出或经所述反射镜反射。

可选地，所述反射镜第一部分与水平倾角为50°，出射激光与水平夹角为10°。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实施例提供的一种扫描机构，以一支点为轴点在与水平面呈0～90°的范围内转动，出射光垂直射出或经所述扫描镜反射。进一步地，当扫描镜设置为两部分，而设置于外部镜片的rms值设置小于1/40λ，镜面镀膜为金属膜，中央镜片的rms值设置小于1/100λ，镜面镀膜为介质膜时，可以更好地保证射向大气的激光光斑质量，从而保证回波信号的稳定性，对于推演大气气体浓度的准确性起到关键作用。

2.本实施例提供的一种无盲区的大气臭氧遥感系统，激光器出射的紫外高能量、窄脉宽、低重频激光(在本实施例中采用266nm激光，激光的单脉冲能量为100mj，脉宽<15ns，频率小于100hz)，经过内部调制或者外部的拉曼系统，或者多个不同的激光器，经过扩束器后向空气中发射多个波长，相邻波长的差值一般小于30nm。大气中的臭氧、气溶胶等与发射的激光相互作用，产生后向散射回波，由大口径望远镜(一般大于250mm，在本实施例中采用300mm)接收后经过光阑限制后由石英光纤(或直接)进入分光装置，分光装置将接收到的信号进行分光，不同波长的信号光被不同的光电倍增管接收，接收后的信号经过数据采集子系统处理后由数据分析&控制子系统进行分析、反演、绘图并显示在屏幕或其他装置上。在具体工作时，t1时间段内(在本实施例为5分钟)，单方向扫描机构7垂直工作，光束通过窗口玻璃5后会直接射向大气，此时遥感系统可以获取300m～5000m的臭氧廓线数据，通过臭氧分析仪获取地面的臭氧数据；在t2时间段内(在本实施例为5分钟)，单方向扫描机构倾斜一定角度，使激光与水平夹角θ角度工作，在本实施例中θ＝10°，此时激光倾斜发射到大气中，可以获取高度为52m～260m(500m×sin10°～5000m×sin10°)的臭氧数据以及通过臭氧分析仪获取地面数据，由于在局部范围内(方圆1.5km范围内)臭氧的浓度基本一致且短时间内(小于10分钟)变化较为缓慢，综合垂直状态和倾斜状态的臭氧数据，可以在10分钟内获取到0～5000m的臭氧廓线数据(地面臭氧分析仪，倾斜10°情况下获取52m～260m，垂直状态下获取300m～5000m)。同时在必要状态下可以使激光水平射出(θ＝0°)，进而获取到局部范围内的水平臭氧浓度分布。

上述系统还可以根据需要设置单方向扫描机构的倾斜角度实现水平臭氧浓度测量，对于臭氧污染点源的发现具有重要作用；除了反演臭氧浓度之外，可以根据臭氧对于某个发射波长的弱吸收，实现对于大气消光系数、后向散射系数等数据的反演，进一步可根据消光系数的大小实现对于边界层等数据产品，增强了大气臭氧探测激光雷达的功能性；它能为用户提供从地面到高空的无盲区的臭氧遥感数据，可以为臭氧雷达乃至其他类别雷达的应用提供技术借鉴。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为扫描机构结构示意图；

图2扫描机构在与水平面倾斜50°时投影图；

图3为扫描机构工作示意图；

图4为无盲区的大气臭氧遥感系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例的一种扫描机构，参见图1所示，包括固定座701、机械臂702、伸缩杆703、旋转轴704、支撑架705、扫描镜706等组成，其中固定座701与系统主体固定，机械臂702一端与固定座701相连，另外一端与支撑架705上的旋转轴704连接，机械臂702对整个部分起支撑架高作用，伸缩杆703一端与机械臂702的上半部分连接，另外一端连接支撑架705，在工作时可根据需要自动伸缩，支撑架705固定在扫描镜706上，扫描镜706的镜面分为a,b两个部分，a部分和b部分均可在与水平面成0～90度的范围内独立转动，镜面b部分呈轴对称的八边形，其中的两条对边较其它边长，镜面a部分呈椭圆形，镜面a部分和b部分之间留有2mm的间距空隙，b部分采用的反射镜面的材料为bk7，为了能够减少系统的重量及给雨刷6工作时预留对应的空间，参见图2所示，b部分在与水平倾斜50°时的水平投影图为正八边形，此时，接收望远镜的镜面外缘与上述投影的正八边形内切或外切，本实施例中，八边形的边长为150mm，同时为了能够增强反射镜的强度，材料的厚度大于50mm，玻璃表面为平面，镜面的rms值小于1/40λ(λ＝632.8nm)，镜面镀膜可选择价格相对便宜、反射率高但损伤阈值相对低的金属膜，如增强型铝膜(在200nm～400nm范围内波长的反射率大于85％)；a部分采用的反射镜面的材料为bk7，a部分可以单独调整角度，在与水平倾斜50°时的水平投影图为近似圆形，圆形的半径为25mm，同时为了能够增强反射镜的强度，材料的厚度大于10mm，玻璃表面为平面，镜面的rms值小于1/100λ(λ＝632.8nm)，可以更好地保证射向大气的激光光斑质量，镜面镀价格高、反射率高、损伤阈值也高的介质膜，如三氧化二铝、二氧化硅等，对200nm～400nm范围内波长的反射率大于85％，损伤阈值大于5j/cm2(激光波长为266nm，脉宽10ns，频率10hz)，a和b两个部分的镜面位于同一平面。

实施例2

本实施例的一种无盲区的大气臭氧遥感系统，参见图4所示，该系统首先从高脉冲能量的出射紫外波长的激光系统开始，在本实施例中，该系统为激光器1和拉曼管2组成，其中激光器1能够出射光束质量较好的脉冲激光(激光器采用q-smart850型激光器，它的激光波长为266nm，频率为10hz，脉冲能量为100mj，脉宽为5ns，发散角为0.5mrad，光斑直径为9mm)。从激光器1出射的266nm的激光经过拉曼管2，在拉曼管内装有容易产生拉曼频移的气体(在本实施例中采用10个大气压的纯氘气)，在经过这种气体之后，会产生289nm和316nm的拉曼光，这两种拉曼光与激光器本身发射的266nm的激光一起通过激光扩束器3，激光扩束器3将激光光束的直径从9mm扩束到45mm，然后经过反射镜4的反射到窗口玻璃5(窗口玻璃的尺寸为350mm)上，激光通过窗口玻璃5后直接射向大气或者经过单方向扫描机构7反射到大气中；激光在大气中与臭氧、气溶胶、大气分子等相互作用后产生一定的后向散射信号经过单方向扫描机构7反射(或直接进入)到大口径望远镜8(望远镜口径为300mm)中，信号被望远镜8聚焦到光阑9处后由大芯径光纤10(光纤为石英光纤，芯径为1mm)所接收后被传送到可根据需要摆放的分光装置11处，在这里分光装置11采用高分辨率光谱仪，经过分光装置11的分光，266nm,289nm和316nm等波长的信号分别被分配到不同的探测器12、13、14中(在这里采用滨松的光电倍增管，型号为h10722)，探测器12、13、14将光信号放大倍增后转化为电信号，电信号经过a/d电路15、滤波电路16的处理后到达数据分析&控制子系统18，数据分析&控制子系统18同时连接雨刷6、单方向扫描机构7、激光器1、臭氧分析仪17和显示装置19，在这里臭氧分析仪17采用北京怡孚和融科技有限公司的pureair40型紫外吸收法o3分析仪，显示装置19采用联想的显示器。在具体运行时，数据分析&控制子系统18根据需要控制单方向扫描机构7的工作状态，包括扫描时间、扫描角度及扫描步长等，同时控制激光器1的出光时间、频率，并获取臭氧激光雷达中信号经过滤波电路16的返回信号以及臭氧分析仪17的地面臭氧数据，通过对这些信息的整合，完成从地面到高空的完整臭氧廓线反演。输出的数据产品包括各波长原始数据、各波长距离平方数据、消光系数、后向散射系数、臭氧浓度、边界层、信噪比等，数据表现形式为伪彩色图(横坐标为时间，纵坐标为高度，不同的臭氧浓度采用不同的色度表示)和廓线图(横坐标为浓度/强度，纵坐标为高度)，最后还可以通过数据分析&控制子系统18设定定时(或根据信号判定)驱动雨刷6对窗口玻璃5进行清洗，防止由于窗口玻璃5表面的不干净导致的信号损失。

在数据分析&控制子系统18控制下，单方向扫描机构7的基本组成和工作方式可参考图1和图2所示，它由固定座、机械臂、伸缩杆、旋转轴、支撑架、扫描镜等组成，扫描镜的镜面分为两个部分(图中a和b)，两部分之间留有2mm空隙，b部分采用的反射镜面的材料为bk7，为了能够减少系统的重量及给雨刷6工作时预留对应的空间，b部分在与水平倾斜50°时的水平投影图为正八边形，八边形的边长为150mm，同时为了能够增强反射镜的强度，材料的厚度大于50mm，玻璃表面为平面，镜面的rms值小于1/40λ(λ＝632.8nm)，镜面镀膜可选择价格相对便宜、反射率高但损伤阈值相对低的金属膜(在200nm～400nm范围内波长的反射率大于85％)；a部分采用的反射镜面的材料为bk7，a部分可以单独调整角度，在与水平倾斜50°时的水平投影图为近似圆形，圆形的半径为25mm，同时为了能够增强反射镜的强度，材料的厚度大于10mm，玻璃表面为平面，镜面的rms值小于1/100λ(λ＝632.8nm)，可以更好地保证射向大气的激光光斑质量，镜面镀价格高、反射率高、损伤阈值也高的介质膜，对200nm～400nm范围内波长的反射率大于85％，损伤阈值大于5j/cm2(激光波长为266nm，脉宽10ns，频率10hz)，a和b两个部分的镜面位于同一平面。在具体工作时，参见图3所示，在t1时间段内(在本实施例为5分钟)，单方向扫描机构7垂直工作，光束通过窗口玻璃5后会直接射向大气，此时遥感系统可以获取300m～5000m的臭氧廓线数据，通过臭氧分析仪获取地面的臭氧数据；在t2时间段内(在本实施例为5分钟)，单方向扫描机构倾斜一定角度，使激光与水平夹角θ角度工作(在本实施例中θ＝10°)，此时激光倾斜发射到大气中，可以获取高度为52m～260m(500m×sin10°～5000m×sin10°)的臭氧数据以及通过臭氧分析仪获取地面数据，由于在局部范围内(方圆1.5km范围内)臭氧的浓度基本一致且短时间内(小于10分钟)变化较为缓慢，综合垂直状态和倾斜状态的臭氧数据，可以在10分钟内获取到0～5000m的臭氧廓线数据(地面臭氧分析仪，倾斜10°情况下获取52m～260m，垂直状态下获取300m～5000m)。同时在必要状态下可以使激光水平射出(θ＝0°)，进而获取到局部范围内的水平臭氧浓度分布。

同时，数据分析&控制子系统留有多个探测控制接口，不仅可控制系统的发光、接收时间，单方向扫描机构的倾斜角度、扫描时间，以及地面臭氧分析仪的数据上传等，还可以为后续的雨刷、摄像监控等留有足够的数据采集空间，将使获取的数据形成较为完成的数据链，反演后的数据能够覆盖0～5km无缝隙的数据。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。