一种基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统

本实用新型涉及一种激光雷达大气探测技术，尤其涉及一种基于ccd侧向探测的气溶胶激光雷达系统。

背景技术：

大气气溶胶是一种悬浮在空气中的固态或者液态小粒子，主要有扬尘、烟雾、花粉、火山灰等。根据粒径大小可分为总悬浮颗粒物(tsp)、直径小于10μm的可吸入颗粒物(pm10)和直径小于2.5μm的细颗粒物(pm2.5)。大气气溶胶不仅干扰太阳对地面的辐射从而影响气候系统，而且气溶胶中诸多有害物质会影响人们的生活和健康，对大气气溶胶的探测研究已成为大气科学和环境科学领域的重要热点之一(石广玉等，大气气溶胶的辐射与气候效应，大气科学，2008，32(4)：826～840)。气溶胶探测的方法有很多，如米散射激光雷达(如micropulselidar)、太阳光度计(如microtopsiisunphotometer)、ccd侧向探测激光雷达(johne.barnes，et.al.boundarylayerscatteringmeasurementswithacharge-coupleddevicecameralidar，appliedoptics，2003，42(15)：2647-2652；麻晓敏等，侧向散射激光雷达探测白天近地面气溶胶探测技术，光学学报，2018，38(4)：0401005-1～8等)。米散射激光雷达探测特点是探测高度高，但大功率脉冲激光器、光学接收望远镜等均比较昂贵，而且诸多精密光学元件维护和使用需要专业人员操作；太阳光度计利用太阳光不同光谱波段辐射强度反演计算得到气溶胶系数，其不足之处是必须依赖太阳，因此夜间无法测量；ccd侧向探测激光雷达利用单镜头和ccd作为主要的接收装置实现对大气气溶胶探测，通常采用广角镜头以提高探测高度范围，但同时会使空间分辨率降低。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于ccd侧向探测的气溶胶激光雷达系统，该激光雷达探测系统不仅具有高的探测范围，同时也不会降低探测的空间分辨率。

技术方案：本实用新型所述的基于ccd侧向探测的气溶胶激光雷达系统，包括ccd和至少两块并排放置的柱面镜，多块柱面镜对应的穿过其焦点的轴线与水平面的夹角依次递增或依次递减，多块柱面镜的焦线同时位于ccd探测面上；ccd和多块柱面镜分别固定在与其对应的角度调节机构上。

其中，还包括控制装置、分别通过电缆与控制装置连接的激光器和平移台、第一反射镜、倍频器以及第二反射镜；所述ccd也通过电缆与控制装置连接；所述第一反射镜固定在平移台上，第一反射镜的放置角度与激光器输出光轴成45°夹角；所述倍频器的输入端口与激光器输出光轴同轴，所述第二反射镜固定在倍频器输出端后方，第二反射镜的放置角度与倍频器的输出光轴成45°夹角。

其中，所述角度调节机构包括对称设置的支撑杆以及与支撑杆通过转轴转动连接的安装架，柱面镜的侧边或ccd壳体固定在安装架内，当安装架相对支撑杆转动到对应位置，通过螺栓将安装架和支撑杆固定。

其中，所述平移台包括传动滑块、固定在传动滑块上的放置平台以及驱动传动滑块横向移动的传动机构，所述传动机构包括铺设在光学平台上的支撑板，支撑板上铺设有x轴向延伸的导轨；还包括固定在光学平台上的传动电机以及与传动电机输出轴固定连接的传动螺杆；传动滑块带螺纹孔，传动滑块套设在传动螺杆上；传动滑块与导轨相互配合连接；传动螺杆的两个端部分别通过轴承固定在导轨上；第一反射镜放置在放置平台上。

其中，还包括固定在支撑板侧边的限位传感器，限位传感器和电机均与控制装置连接。

有益效果：本发明激光雷达探测系统采用多块以不同角度并排放置的柱面镜同时接收不同高度段的大气气溶胶信息，由多块柱面镜代替传统的单个镜头，ccd可探测到代表多个高度段的多条并排光束，从而实现在保证探测高度范围的前提下提高探测的空间分辨率，同时避免底层和高层由于鱼眼镜头畸变造成的精度降低；其次，本实用新型激光雷达探测系统利用一台面阵ccd同时接收多个不同高度层段大气气溶胶回波光信号，相比于采用多台ccd设备，本实用新型系统ccd本底噪声一致，可避免不同ccd本底噪声误差导致的数据处理困难以及误差增大；最后，本实用新型激光雷达探测系统使用的激光器可以是连续光或者脉冲光，不受激光器种类限制，因此有效降低了系统成本，为大气气溶胶探测提供有效方案，有利于大气气溶胶探测的推广应用。

附图说明

图1是本实用新型激光雷达探测系统的系统原理图；

图2为本实用新型激光雷达探测系统进行基频光探测时的结构原理图；

图3为本实用新型激光雷达探测系统在三块柱面镜不改变放置角度时进行倍频光探测时的结构原理图；

图4为本实用新型安装三块柱面镜的角度调节机构的排布方式的侧视图；

图5为本实用新型安装三块柱面镜的角度调节机构的排布方式的主视图；

图6为三块柱面镜并排设置的结构示意图；

图7为平移台的结构原理图；

图8为传动滑块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步阐述。

如图1～8所示，本实用新型基于ccd侧向探测的气溶胶激光雷达系统，包括ccd10和三块沿水平向并排放置的柱面镜(7，8，9)，三块柱面镜(7，8，9)对应的穿过其焦点的轴线与水平面的夹角依次递增或依次递减(角度a大于角度b大于角度c)，三块柱面镜(7，8，9)的焦线同时位于ccd探测面10上；ccd10和三块柱面镜(7，8，9)分别固定在与其对应的角度调节机构11上。本实用新型系统先将三块柱面镜(7，8，9)的聚光面相对于水平面的角度调节好，然后再通过ccd10的角度调节机构来使三块柱面镜(7，8，9)的焦平面均位于ccd探测面10上。

本实用新型激光雷达探测系统还包括控制装置1、分别通过电缆与控制装置1连接激光器2和平移台3、第一反射镜4、倍频器5以及第二反射镜6；ccd10也通过电缆与控制装置1连接，控制装置1也可以通过无线通讯模块与远程控制终端连接；第一反射镜4固定在平移台3上，第一反射镜4的放置角度与激光器2输出光轴成45°夹角；倍频器5固定在激光器输出光轴线上，倍频器5的输入端口与激光器2输出光轴同轴，第二反射镜6固定在倍频器5的输出端后方，第二反射镜6的放置角度与倍频器5的输出光轴成45°夹角。

本实用新型激光雷达探测系统的角度调节机构11包括对称设置的支撑杆15以及与支撑杆15通过转轴12转动连接的安装架14，转轴12一端与安装架14固定连接，转轴12另一端通过轴承与支撑杆15固定连接，柱面镜的侧边或ccd壳体均固定在安装架14内，当安装架14相对支撑杆15转动到对应位置时，通过螺栓将安装架14和支撑杆15固定。即安装架14侧边在对应转轴处沿转轴为中心设有一圈螺栓孔，螺栓穿过支撑杆15上的螺栓孔13，通过内外螺纹与安装架14侧边的螺栓孔固定连接。三块柱面镜(7，8，9)对应的角度调节机构11并排设置在ccd10的前侧。

本实用新型激光雷达探测系统的平移台3包括传动滑块19、固定在传动滑块19上的放置平台20以及驱动传动滑块19横向移动的传动机构，传动机构包括铺设在光学平台16上的支撑板17，支撑板17上铺设有x轴向延伸的导轨18；传动机构还包括固定在光学平台16上的传动电机22以及与传动电机22输出轴固定连接的传动螺杆21；传动滑块19为带螺纹孔的传动滑块19，传动滑块19套设在传动螺杆21上；传动滑块19与导轨18相互配合连接；传动螺杆21的两个端部分别通过轴承23固定在导轨18上；第一反射镜4放置在放置平台20上。支撑板17上设有限位传感器(24，28)，限位传感器(24，28)为超声波传感器或红外传感器，限位传感器(24，28)通过电缆或无线通讯方式与控制装置1连接。限位传感器(24，28)用于检测传动滑块19在支撑板17上向左或向右移动的位置。

本实用新型激光雷达探测系统的工作过程：激光器2产生基波激光，平移台3上以45°角放置的第一反射镜4置于激光器2输出光路中，从而使输出的激光束经过第一反射镜4垂直反射到空中，激发大气气溶胶基波光的米氏散射，三块柱面镜(7，8，9)分别对准激光光束的低、中、高三段，且三块柱面镜(7，8，9)的焦平面均位于ccd10探测面上，以便ccd10同时接收三个不同高度大气气溶胶米氏散射的回波光信号，此时，ccd拍摄一张或多张基波光气溶胶散射图像，该图像中同时包含三段基波激光光束上各散射点的侧向散射光信号，ccd10将得到的图像信号传送至控制装置1(计算机)中；控制装置1控制传动电机22正转，在传动电机22的带动下使平移台3上的第一反射镜4移出激光器的输出光路，此时激光器2输出的激光束送入倍频器5，经倍频器5后得到倍频光，倍频光经以45°角固定放置的第二反射镜6反射后垂直发射到空中，激发大气气溶胶倍频光的米氏散射；三块柱面镜(7，8，9)分别对准激光光束的低、中、高三段，且三块柱面镜(7，8，9)的焦平面均位于ccd探测面上，以便ccd10同时接收三个不同高度大气气溶胶米氏散射的回波光信号，此时，ccd10拍摄一张或多张倍频光气溶胶散射图像，该图像中同时包含三段倍频光激光光束上各散射点的侧向散射光信号，ccd10将得到的图像信号传送至控制装置1中。控制装置1对ccd10拍摄到的侧向激光光束照片进行标记和读取，并将ccd10采集的图像进行分类存储，以进行后续大气气溶胶参数的精确反演。

等到设定时间后，控制装置1控制传动电机22反转，在传动电机22的带动下传动滑块19相对支撑板17沿反方向移动，当传动滑块19的前端到达位于支撑板17侧边的限位传感器28时，控制装置1关闭传动电机22，此时平移台3上以45°角放置的第一反射镜4再次置于激光器的2输出光路中。