一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统的制作方法

本实用新型属于大气科学领域，具体涉及一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统。

背景技术：

如今环境污染十分严重，日益恶化的空气质量越来越受到人们的关注，我国大气环境污染形式日趋严重，且已从单一型污染转变为混合型污染。烟尘、二氧化硫(so2)、氮氧化物(nox)等污染物排放总量都高居世界第一，超过了环境自净能力，环境状况的恶化导致经济发展、群众健康、社会稳定都受到了严重威胁。大气污染气体特别是so2、ch4，co，no2对环境以及人体有一定危害，主要包括：形成酸雨，对湿地和陆生植物物种之间竞争与组成变化造成影响，大气能见度降低，地表水酸化、富营养化，增加水体中有害于鱼类和其它水生生物的毒素含量，导致已患呼吸道疾病患者产生过敏反应、损害肺功能，增加儿童呼吸道疾病的发病率。可以说对于大气污染气体浓度的检测，一直是广大学者关注的焦点。激光雷达作为环境污染物监测的重要工具，具有抗干扰能力强、空间分辨率高、探测灵敏度高、测量光程长等优势，被广泛应用于气溶胶、臭氧、大气中各类污染气体的探测。差分吸收激光雷达作为激光雷达的一种，是近年来环境监测领域的新技术，被广泛应用于污染气体的浓度探测。它通过发射两束相同功率不同波长的激光，其中一束波长位于目标气体吸收谱线吸收峰附近，称之为on波长，另一束波长位于目标气体吸收谱线谷底，称之为off波长。目标气体对两束激光的吸收强度不同，使得大气散射回波信号衰减不同，通过检测这两束反射光的强度差就可计算出被测气体在大气中的浓度大小。差分吸收激光雷达系统的光源一般采用一台激光雷达交替发射两束激光或者两台激光器同时发射两束激光的方法，并且空间探测还需要用到三维转台等设备，相对于其他系统而言较为复杂。如何高效，可靠的实现对系统控制，将大大提升整套系统的性能。以往的差分吸收激光雷达系统中，三维转台，激光器，采集卡都相对独立，各有各的控制部分，并且接收到的数据一般不会实时处理反演。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能合理有效控制三个部分的中红外差分吸收激光雷达系统，实现整个系统一体化，在实际探测时能够有效减少人为操作，实现一键化运行。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术解决方案：

一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，包括激光发射系统、信号接收系统、主控系统；激光发射系统，用于交替反射两束相同功率多种波长的激光信号；信号接收系统，用于接收污染气体的后向散射信号；主控系统，用于对接收到的后向散射信号进行数据处理与分析。

进一步的，本实用新型所提出的一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，所述激光发射系统包括激光器、扩束镜、第一45°全反镜、第二45°全反镜、第三45°全反镜，三维转台；所述激光器交替发射功率为500hz的波长为3424nm、3414nm的两种激光束分别经扩束镜、第一45°全反镜、第二45°全反镜、第三45°全反镜，三维转台进入大气。

进一步的，本实用新型所提出的一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，所述信号接收系统包括牛反式望远镜、第四45°全反镜、小孔、准直镜、滤光片、光电探测器、信号采集卡；所述望远镜接收污染气体的后向散射信号，再依次经过第四45°全反镜、小孔、准直镜、滤光片、直接进入光电探测器，光电探测器将光子信号转化为电信号并传输至信号采集模块，信号采集模块将采集到的电信号传输至主控系统。

进一步的，本实用新型所提出的一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，所述主控系统使用工控机分别与激光器、三维转台、信号采集卡连接，通过主控软件实现三者之间实现通信，完成控制、采集、处理任务一体化。

进一步的，本实用新型所提出的一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，所述第一至第三45°全反镜为镀金膜45°全反镜。

进一步的，本实用新型所提出的一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，所述三维转台选用ni-pci7342两轴伺服控制卡，控制水平直流力矩电机和垂直直流力矩电机转动进行空间扫描。

进一步的，本实用新型所提出的一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，所述望远镜采用300mm口径的牛反式望远镜，其接收视场角为0.25mrad。

进一步的，本实用新型所提出的一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，所述光电探测器为vigopvi-4te型号的光电探测器。

进一步的，本实用新型所提出的一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，所述信号采集模块采用m2i.4960型号采集卡。

进一步的，本实用新型所提出的一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，所述第四45°全反镜为镀金膜45°全反镜。

本实用新型提出使用工控机通过串口通信实现对激光发射器、三维转台、信号采集卡三者通讯，在不同模式探测污染物浓度，在数据采集方面实现实时采集，处理，显示，能有效监测数据的质量，在数据保存方面，扫描头实时反馈位置信息给工控机，工控机在保存采集数据的同时，记录下相应位置信息，以备后续查看。

本实用新型采用以上技术方案，与常规中红外差分吸收激光雷达系统相比，本实用新型整个系统运行更加便捷，优化，处理更加实时，快捷。

附图说明

图1是本实用新型雷达结构示意图；

图2是本实用新型三维转台示意图；

图中，1-激光器，2-第一45°全反镜，3-第二45°全反镜，4-扩束镜，5-三维转台，6-第三45°全反镜，7-望远镜，8-第四45°全反镜，9-小孔，10-准直镜，11-滤光片，12-光电探测器，13-工控机。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型提出一种中红外差分吸收激光雷达一体化系统，其特征在于：包括激光发射系统、信号接收系统、主控系统；激光发射系统，用于交替反射两束相同功率多种波长的激光信号；信号接收系统，用于接收污染气体的后向散射信号；主控系统，用于对接收到的后向散射信号进行数据处理与分析。

激光发射系统包括激光器1、扩束镜4、第一45°全反镜2、第二45°全反镜3、第三45°全反镜6，三维转台5；所述激光器1交替发射功率为500hz的波长为3424nm、3414nm的两种激光束分别经扩束镜4、第一45°全反镜2、第二45°全反镜3、第三45°全反镜6，三维转台5进入大气。

信号接收系统包括牛反式望远镜7、第四45°全反镜8、小孔9、准直镜10、滤光片11、光电探测器12、信号采集卡；望远镜7接收污染气体的后向散射信号，再依次经过第四45°全反镜8、小孔9、准直镜10、滤光片11、直接进入光电探测器12，光电探测器12将光子信号转化为电信号并传输至信号采集模块，信号采集模块将采集到的电信号传输至主控系统。

主控系统使用工控机13分别与激光器1、三维转台5、信号采集卡连接，通过主控软件实现三者之间实现通信，完成控制、采集、处理任务一体化。

作为上述方案的具体实施例，第一45°全反镜2、第二45°全反镜3、第三45°全反镜6、第四45°全反镜8均为镀金膜45°全反镜，三维转台5选用ni-pci7342两轴伺服控制卡，望远镜7采用300mm口径的牛反式望远镜，光电探测器12为vigopvi-4te型号的光电探测器，信号采集模块采用m2i.4960型号采集卡。

图2是本实用新型三维转台示意图。

参考图1、图2所示，本实用新型的具体实施方式如下；

步骤一：给系统各个仪器上电，打开程序设置采集模块，扫描模块各项参数选择扫描模式；

步骤二：运行程序，激光器1交替发射率为500hz的波长为3424nm、3414nm的两种激光束，运行三维转台5；

步骤三：激光束经过第一45°全反镜2、第二45°全反镜3进入扩束镜；

步骤四：激光束经扩束镜4减小了发散角通过第三45°全反镜6进入三维转台5；

步骤五：通过调整三维转台5的位置，使激光打向不同的空间方向；

步骤六：望远镜7接收大气分子后向散射回来的光信号，经第四45°全反镜8将垂直方向传输的光信号改变成水平传输方向，然后通过放置在望远镜焦平面上的小孔9；

步骤七：水平传输的光信号经准直镜10和滤光镜11直接进入光电探测器12，光电倍增管将接收到的光子信号转化成电信号并输送至采集模块

步骤八：采集卡采集接收到的回波信号，对波长为3424nm、3414nm的两种激光束回波信号进行分离，

步骤九：对分离后的信号进行累加平均，去背景，五点平滑处理，并显示处理结果，保存数据；

步骤十：最后进行数据反演。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细地说明，但是并不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。