基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达的制作方法
【技术领域】
[0001]此发明的应用领域为环境监测领域，监测大气气溶胶粒子如尘、灰霾、云等，获得大气气溶胶粒子消光系数、边界层高度、云底高度、气溶胶光学厚度等大气环境参数。
【背景技术】
[0002]激光雷达是利用激光遥感技术，以激光作为光源，通过发射天线对激光进行准直扩束，发射到大气中，激光与大气气溶胶粒子相互作用，被散射与吸收，后向散射信号被激光雷达接收光学天线接收，通过反演算法得到大气分子和气溶胶粒子的信息。
[0003]激光雷达可以获得高空大气气溶胶粒子的信息，是灰霾监测与预警不可缺少的技术手段，目前环境监测激光雷达发展迅速，但在已公开专利或文献中，尚未看到能够进行在线监测与数据实时传输的激光雷达报道，已经公开的相关专利文献中，描述的激光雷达一般用于科学研或究实验室监测，只能单机运行，数据集成传输困难，如中国的一项发明CN100360957C (公开日2008.01.09)实现了连续自动无人值守探测，但是该发明需要外置主控计算机，这就决定了数据传输无法像在线监测仪器那样方便，体积庞大，无法户外独立运行，另一个中国的发明CN201527471U (公开日2010.07.14)，该发明描述了一种将激光雷达电源模块、工业控制计算机模块、数据采集模块、多光束分束等模块放入一个机柜中，实现小型化与模块化设计，同样是简单结构的整合，同样适用了工业控制计算机，无法实现高度集成、数据在线传输。归纳一下现有激光雷达的不足:首先是系统复杂、体积庞大、限制了应用区域；其次是对安装环境要求高，需要为激光雷达建立站房，这就增加了使用成本，第三是所有的激光雷达都是实验室分析仪器，数据无法现在传输到数据中心，无法实现在线监测，限制了激光雷达大范围联网在线监测。
[0004]本发明专利中设计了基于嵌入式系统的激光雷达系统，采用了嵌入式板卡，这是与其他专利的根本区别。嵌入式板卡、光电探测单元、数控采集单元等所有单元被集成于IP65防护等级的雷达外壳中，数据传输单元以无线或有线方式将数据传输到数据中心，通过互联网，利用客户端软件查看、控制雷达运行，本发明专利中的在线监测激光雷达可以作为空气在线监测遥感仪器，开机自动工作，数据自动传输，户外全天候运行。
【发明内容】
[0005]为了克服常规气溶胶监测激光雷达的上述缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高集成度、高可靠性、可在线工作的气溶胶监测激光雷达。
[0006]基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，主要由光电探测分系统、数控采集分系统、温度控制单元、位置姿态监控单元、电源、扫描单元组成，其中光电探测分系统包括激光源、发射光学天线、接收光学天线、空间滤波器、窄带滤光片、偏振模块、单光子探测器；数控采集分系统包括多道光子计数器、嵌入式板卡、数据存储单元、数据传输单元；位置姿态监控单元由GPS模块、电子罗盘组成；温度控制单元为雷达提供工作环境保障；环境监控单元记录雷达外部环境温度、湿度、气压信息；雷达外壳为IP65防护等级；电源安装在外壳内部，为其他单元供电。
[0007]除了环境监控单元，以上各单元全部安装于雷达外壳中构成雷达主机，雷达主机连接GPS天线接收地理位置信号，温度控制单元控制雷达工作温度，雷达主机后面板连接电源线，数据线，雷达外壳安装数据传输天线，电源线连接外部电源为雷达供电，雷达监测数据可通过有线或无线进行传输。
[0008]基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，所述的光电探测分系统中，激光源后安装光学发射天线，光学发射天线为伽利略望远镜结构，激光束与光学发射天线中心同轴，接收光学天线为卡塞格林式望远镜，主镜焦点处安装空间滤波器，滤波器后依次安装准直器、窄带滤光片、偏振模块、单光子探测器，光电信号被数控采集分系统的多道光子计数器采集，多道光子计数器通过USB线缆与嵌入式板卡连接。位置姿态单元中的GPS模块安装于激光雷达外壳内，一端通过同轴电缆与GPS天线连接，另一端通过RS232与嵌入式板卡连接，电子罗盘安装于望远镜上，可以获取方位信息，电子罗盘通过RS232与嵌入式板卡连接，数据存储单元通过SATA数据线与嵌入式板卡连接，温度控制单元安装在后面板上，实时控制仪器内部工作温度。
[0009]基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，雷达主机安装在固定支架上实现固定观测模式；如果安装在二维云台构成雷达扫描模式，进行水平或垂直以及三维扫描，从而实现雷达对大气气溶胶垂直剖面或水平剖面以及立体空间的监测，获取的数据通过数据传输单元传输到数据中心，从而实现对大气气溶胶的在线监测。
[0010]基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其发射光学天线为三片镜组成的望远系统，其口径为45mm。各透镜镀532nm增透膜，双面反射率〈1%。
[0011]基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其光学接收天线的焦距为1200mm，口径为160mm，主镜与次镜镀高反射介质膜，反射率>99%。
[0012]基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，发射光学天线与接收光学天线连接在一起成为一整体，发射光通过折转镜实现发射光轴与接收光轴同轴，两轴的安装误差〈0.02mrad。
[0013]基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，其嵌入式板卡预装操作系统，安装雷达控制采集后台软件，开机自动运行，嵌入式板卡处理器频率为1.8GHZ,缓存为4GB，嵌入式板卡有 USB2.0、RS232、TCP/IP 接口。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的结构框图。
[0015]图2为基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达的工作流程图。
[0016]图3为图基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达垂直观测结果。
[0017]图4为基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达水平扫描结果。
[0018]主要元器件符号说明:1-激光源2-发射光学天线3-准直镜4-窄带滤光片5-偏振模块6-单光子探测器7-多道光子计数器8-GPS模块9-嵌入式板卡10-电子罗盘11-电源12-数据传输单元13-温度控制单元14-接收光学天线15-扫描单元16-夕卜壳17-折转镜18-中心反射镜19-空间滤波器20-数据存储单元21-GPS天线22-数据传输天线23-环境参数监控单元。
【具体实施方式】
[0019]图1为本发明的结构框图，基于嵌入式系统的气溶胶在线监测激光雷达，主要由光电探测分系统、数控采集分系统、温度控制单元13、电源11、外壳16、环境参数监控单元23、扫描单元15组成；其中光电探测分系统、数控采集分系统、位置姿态监控单元、温度控制单元13、电源11全部安装于外壳16内，环境参数监控单元23安装在外壳外部，扫描单元15与外壳16连接,可以驱动外壳16水平或垂直扫描。
[0020]光电探测分系统包括激光源1、发射光学天线2、接收光学天线14、折转镜17、中心反射镜18、空间滤波器19、窄带滤光片4、准直镜3、偏振模块5、单光子探测器6,发射光学天线2与接收光学天线14连接在一起，发射光通过折转镜17、中心反射镜18的反射，使得发射光轴与接收光轴同轴，两轴的安装误差〈0.02mrad，光电探测分系统所有部件通过机械装置刚性连接在一起，成为一个整体。
[0021]数控采集分系统包括多道光子计数器7、嵌入式板卡9、数据存储单元20、数据传输单元12，多道光子计数器7通过USB2.0接口与嵌入式板卡9连接，数据存储单元通过SATA数据线与嵌入式板卡连接，数据传输单元12与嵌入式板卡9通过PCIE接口连接，数据传输天线22与数据传输单元12通过BNC线缆连接。
[0022]位置姿态监控单元由GPS模块8、电子罗盘10组成，电子罗盘10与GPS分别通过RS232与嵌入式板卡9连接，GPS天线21通过BNC线缆与GPS模块8连接。
[0023]温度控制单元13安装在外壳16上，电源11与单光子探测器6、温度控制单元13、嵌入式板卡9、数据传输单元12通过线缆连接。
[0024]环境参数监控单元23安装于外壳外部，通过数据线与嵌入式板卡连接，实时监控仪器外部环境参数，为反演消光系数提供环境参数。
[0025]基于嵌入式系