船载多波长气溶胶激光雷达系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种船载多波长气溶胶激光雷达系统，包括方舱、内置于方舱中的机柜以及至少部分地设置于所述方舱中的空气调节系统；在所述方舱的顶部设置有天窗，在所述机柜中设置有光学单元和电控单元；所述光学单元位于天窗的下方，包括激光发射单元和光学接收单元，所述激光发射单元用于发射多种波长的激光，经由所述天窗射向大气，激光与大气相互作用的后向散射光通过所述天窗经由光学接收单元接收并转换成电信号后，发送至所述的电控单元进行处理和保存。本实用新型的气溶胶激光雷达系统集成度高、自动化程度高、探测可靠、操作维护方便，专门针对船载应用进行设计，为海洋上空气溶胶的有效探测提供了保障，扩展了激光雷达的应用范围。
【专利说明】
船载多波长气溶胶激光雷达系统
技术领域
[0001]本实用新型属于激光雷达技术领域，具体地说，是涉及一种用于测量大气中，特别是海洋上空的大气中气溶胶参数的激光雷达系统。
【背景技术】
[0002]海洋大气气溶胶是海洋上空大气与悬浮在空中的固体和液体微粒共同组成的多项体系，主要由海水浪花蒸发形成。气溶胶对太阳辐射、气候变化和空气污染有直接影响，还在云的物理形成过程中扮演着凝结核的角色，在全球气候变化和海洋-大气相互作用中起着至关重要的作用。但现阶段常用的海洋气溶胶观测仪器，例如定点取样测量和手持/自动太阳辐射计等，只能给出单点测量或者大气层积分的气溶胶数据，时空代表性较差。
[0003]激光雷达作为一种主动式的遥感监测设备，在气溶胶探测方面具有高时空分辨率、高测量精度等优势，是实时连续监测大气气溶胶和云的光学特性参数的有力工具。目前，用于探测气溶胶的激光雷达系统，绝大多数都是对位于陆地上空大气中的气溶胶进行观测和研究的，而对于工作条件相对恶劣的海洋环境，由于现有的激光雷达系统无法适应海上的特殊工作环境，因此无法对海洋上空大气中的气溶胶进行实地、实时地观测。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种船载多波长气溶胶激光雷达系统，可以适应复杂、恶劣的海上工作环境，实现对海洋上空大气中气溶胶的有效探测。
[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现:
[0006]—种船载多波长气溶胶激光雷达系统，包括方舱、内置于方舱中的机柜以及至少部分地设置于所述方舱中的空气调节系统;在所述方舱的顶部设置有天窗，在所述机柜中设置有光学单元和电控单元;所述光学单元位于天窗的下方，包括激光发射单元和光学接收单元，所述激光发射单元用于发射多种波长的激光，经由所述天窗射向大气，激光与大气相互作用的后向散射光通过所述天窗经由光学接收单元接收并转换成电信号后，发送至所述的电控单元进行处理和保存。
[0007]进一步的，在所述机柜的顶部分别设置有一个接收窗口和两个出光孔，所述激光发射单元发射三种波长的光束，分由所述的两个出光孔通过所述天窗射向大气;所述激光与大气相互作用的后向散射光经由所述天窗和所述的接收窗口由所述的光学接收单元接收。
[0008]优选的，在所述激光发射单元中设置有激光器、扩束器和反射镜组件;所述激光器优选发射355nm、532nm和1064nm三种波长的光束，其中，532nm和1064nm波长的光束合成一束通过第一扩束器和第一反射镜组件经由其中一个所述的出光孔射出；355nm的光束通过第二扩束器和第二反射镜组件经由另外一个所述的出光孔射出。
[0009]又进一步的，在所述光学接收单元中设置有接收望远镜、多路分光镜和六路光电转换部件;所述接收望远镜接收激光与大气作用的后向散射信号，经由分光镜分离出六种光信号后，通过六条探测通道一一对应地传输至所述的六路光电转换部件，经由六路光电转换部件转换成六路电信号，分别传送至所述的电控单元。
[0010]为了提高气溶胶探测的准确性，在所述光学接收单元中还设置有电动小孔光阑，位于接收望远镜的出光侧，通过所述接收望远镜接收到的六种波长的光信号经由所述电动小孔光阑消除掉其中的太阳背景光后，输出至所述的分光镜;所述电控单元连接所述的电动小孔光阑，调节电动小孔光阑的孔径，以适应不同的工作环境。
[0011]作为所述电控单元的一种优选组建方案，在所述电控单元中设置有工控机、分别连接所述工控机的惯导模块、显示器和瞬时数据采集器以及连接在系统供电回路中的控制开关;所述瞬时数据采集器接收所述光学接收单元发出的电信号，并传输至所述的工控机；在所述电控单元中还设置有用于为所述激光发射单元供电的激光器电源以及为所述电控单元和光学接收单元中的各用电部件供电的不间断电源，所述不间断电源在激光发射单元工作时，作为所述激光器电源的后备电源，为所述激光发射单元提供不间断供电。
[0012]优选的，所述光学单元和电控单元分设在机柜的左右两侧，所述光学单元安装在采用阻尼式光学面包板形成的底座上，在所述底座的下方安装有弹性减震器，以减少因船舶振动对光学器件造成的损伤。
[0013]作为所述空气调节系统的一种优选设计方案，在所述空气调节系统中设置有空调器、除湿器和温湿度记录仪;所述空调器包括安装在方舱外部的室外机和安装在方舱内部的室内机;所述除湿器安装在方舱内部;所述温湿度记录仪安装在所述机柜上，检测方舱内的温度和湿度变化，并传输至所述的电控单元;所述电控单元根据温湿度记录仪检测到的方舱的温度和湿度，控制所述空调器和除湿器的工作状态，以调节方舱内的温度和湿度。
[0014]为了降低工作人员在船上工作的风险，提高工作效率，所述天窗优选设计成电动天窗，连接所述的电控单元;所述电控单元在系统启动运行后控制所述电动天窗开启，在系统停机时控制所述电动天窗关闭，以封闭所述方舱。
[0015]优选的，所述方舱固定安装在船舶的甲板上，包括铝合金外壳以及铺设在所述铝合金外壳内侧的聚氨酯板，以起到防腐、保温、阻燃的作用。
[0016]与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是:本实用新型的气溶胶激光雷达系统集成度高、自动化程度高、探测可靠、操作维护方便，专门针对船载应用进行设计，为海洋上空气溶胶的有效探测提供了保障，扩展了激光雷达的应用范围。同时，采用本实用新型的多波长激光雷达系统，可以同时获得多种海洋大气参数，为海洋气溶胶探测提供了有力的探测工具。
[0017]结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型所提出的船载多波长气溶胶激光雷达系统的一种实施例的外部结构示意图；
[0019]图2是图1中方舱内部的顶视图；
[0020]图3是激光雷达系统中光学单元和电控单元在机柜中的布设结构示意图；
[0021 ]图4是图3中光学单元的一种实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细地说明。
[0023]本实施例的气溶胶激光雷达系统为了能够适应海上恶劣的工作环境，针对船载应用进行结构设计，包括方舱1、机柜4和空气调节系统等，如图1、图2所示。其中，为了方便激光雷达系统在船舶上的安装固定，所述方舱I优选设计成小型集装箱式结构，如图1所示，可以固定于船舶的甲板上，以便于海洋大气参数的测量。在本实施例中，所述方舱I的外壳优选采用铝合金材料制成，以提高方舱I的坚固性和抗腐蚀性。方舱I的内部可以采用聚氨酯板贴附在铝合金外壳的内壁上，以起到保温、阻燃、延长耐久性的作用，且低碳环保。
[0024]所述机柜4用于承载和保护激光雷达系统中的光学单元19和电控单元10，如图3所示，固定安装于所述的方舱I内。所述光学单元19和电控单元10优选采用模块化设计，集成安装在所述的机柜4中。例如，可以将电控单元10布设在机柜4的左侧，光学单元19布设在机柜4的右侧，以满足系统在船体摇摆晃动期间各部分安装固定的牢固性，确保系统在船体摇摆晃动的工作环境下仍能正常运行。
[0025]所述空气调节系统用于调节方舱4内的温度和湿度，主要包括空调器、除湿器5和温湿度记录仪13。其中，所述空调器可以采用分体式空调，包括安装在方舱4外部的室外机3和安装在方舱4内部的室内机6，以用于调节方舱4内的温度，确保系统中的电控单元10和光学单元19始终工作在恒定、适宜的环境温度下。所述除湿器5安装在方舱4内，用于调节方舱4内的湿度，使系统中的电控单元10和光学单元19可以工作在恒定的湿度条件下，防止海上作业期间因潮气和水气对系统造成的损坏。所述温湿度记录仪13优选安装在机柜4上，用于实时采集和记录方舱4内的温度和湿度变化，并生成温湿度数据传输至所述的电控单元10，且在方舱4内的环境温度或湿度不正常时，自动发出报警信息。
[0026]在本实施例中，优选将所述空调器和除湿器5连接至所述的电控单元10，所述电控单元10可以根据温湿度记录仪13检测到的方舱4内的温度和湿度数据，控制所述空调器和除湿器5的工作状态，例如进行启停控制，以调节方舱4内的温度和湿度，保证电控单元10和光学单元19工作在恒温恒湿的工作环境中。
[0027]为了使通过光学单元19发射的激光光束能够顺利地射向大气，并有效地接收激光与大气相互作用的后向散射光，本实施例首先在方舱4的顶部设计天窗2，如图1所示，优选位于光学单元19的正上方，以作为系统的探测窗口。为了降低工作人员在船上工作的风险，同时达到提高工作效率的目的，本实施例优选将所述天窗2设计成电动天窗，连接所述的电控单元10。具体来讲，可以在方舱I的顶部安装滑轨56，设计所述天窗2可沿滑轨56滑动。在系统工作时，通过电控单元10控制电动天窗2开启，以确保光束的顺利接收和发射;在系统准备关机前，通过电控单元10控制电动天窗2关闭，以使方舱4密闭，起到保护电控单元10和光学单元19的作用。
[0028]同时，本实施例在机柜4的顶部还开设有一个接收窗口9和两个出光孔7、8，在所述接收窗口 9和两个出光孔7、8中均安装有防护玻璃，以对所述光学单元19起到密闭与防尘的作用。如图2所示，所述接收窗口 9和两个出光孔7、8优选位于电动天窗2的正下方，且与光学单元19的出光侧和入光侧正对，以保证光束的正常透射。
[0029]在本实施例的光学单元19中设计有激光发射单元和光学接收单元，所述激光发射单元用于发射多种波长的激光，经由所述出光孔7、8和电动天窗2射向大气，激光与大气相互作用的后向散射光通过所述电动天窗2和接收窗口 9经由光学接收单元接收并转换成电信号后，发送至所述的电控单元10进行分析、处理和保存。
[0030]具体来讲，在所述激光发射单元中设计有激光器22、扩束器25、28和反射镜组件23/24、26/27、29/30，如图4所示。其中，所述激光器22可以发射355nm、532nm与1064nm三种波长的光束，为了便于光路的调节，将三束激光通过两个出光孔7、8发射。优选的，将波长为355 nm的激光经过第一扩束器25(例如5倍扩束器)对激光光束的直径进行扩束后，通过第一反射镜组件(例如由反射镜26和反射镜27组成的反射镜组件)改变光束的传播路径，进而垂直穿过机柜4顶部的出光孔8以及方舱4顶部的电动天窗2，发射到大气中。对于波长分别为532nm和1064nm的两束激光，则合并为一束后，通过第二扩束器28(例如5倍扩束器28)和第二反射镜组件(例如由反射镜26、27、29、30组成的反射镜组件)垂直射向机柜4顶部的出光孔7，进而经由出光孔7和电动天窗2发射到大气中。
[0031]其中，所述反射镜27和反射镜30优选安装在三维调节支架上，分别用于调节355nm出光的方向以及532nm和1064nm出光的方向，以使发射与接收光轴准直，提高光信号的接收效率。
[0032]通过激光发射单元发射到大气中的激光在与大气相互作用后，形成后向散射光经由方舱I顶部的电动天窗2和机柜4上的接收窗口 9由光学接收单元接收。在所述光学接收单元中设置有接收望远镜31、多路分光镜和六路光电转换部件。所述光学接收单元主要用于接收六种光信号，包括波长为355nm和1064nm的后向散射信号、波长为387nm与407nm的拉曼回波信号以及波长为532nm的平行偏振回波信号和垂直偏振回波信号。将接收望远镜31接收到的后向散射信号通过分光镜分离出六种光信号，分别通过六条探测通道一一对应地传输至六路光电转换部件，例如光电倍增管38、41、49、53、55和雪崩光电二极管45，经由六路光电转换部件转换成六路电信号后，传送至所述的电控单元10进行分析、处理和保存。
[0033]具体来讲，可以首先在接收望远镜31的出光侧设置一个电动小孔光阑32，如图4所示，连接所述的电控单元10。所述后向散射信号经由接收望远镜31接收后，通过电动小孔光阑32抑制太阳背景光后输出。白天探测时，可以通过电控单元10调节电动小孔光阑32的孔径到2mm左右；晚上探测时，可以通过电控单元10调节电动小孔光阑32的孔径为1mm左右。另外，电动小孔光阑32的孔径还有1mm、5mm和8mm等多个尺寸等级，可根据实际需要进行切换。由于电动小孔光阑32的孔径可以通过电控单元10自动切换，因此可以提高系统的工作效率。
[0034]将通过电动小孔光阑32输出的光信号首先经由准直透镜33准直后，输出至分光镜34。所述分光镜34对小于407 nm波长的光信号进行反射，将大于407 nm波长的光信号透过。经过所述分光镜34反射的光信号首先通过分光镜35将407 nm波长的光信号透过后，再经过干涉滤光片36(中心波长为407nm，带宽为Inm)滤除其他杂散光，然后经过会聚透镜37将信号会聚到光电倍增管38的信号接收窗口上。通过所述分光镜35反射的387 nm和355 nm波长的光信号，首先经过分光镜42透过其中387 nm波长的光信号，并反射355 nm波长的光信号。透过所述分光镜42的387 nm波长的光信号经过干涉滤光片47(中心波长为387nm，带宽为Inm)滤除掉杂散光后，由会聚透镜48会聚到光电倍增管49的信号接收窗口上。由所述分光镜42反射的355 nm波长的光信号经过干涉滤光片39(中心波长为355nm，带宽为Inm)滤除其他杂散光后，经过会聚透镜40将光信号会聚到光电倍增管41的信号接收窗口上。
[0035]透过所述分光镜34的光信号，首先经过分光镜42将1064nm波长的光信号透过，并对532nm波长的光信号进行反射。透过所述分光镜42的1064nm波长的光信号经过干涉滤光片43(中心波长为1064nm，带宽为Inm)滤除掉杂散光后，经过会聚透镜44会聚到雪崩光电二极管45的信号接收窗口上。经过所述分光镜42反射的波长为532nm的光信号，通过干涉滤光片50(中心波长为532nm，带宽为Inm)滤除掉杂散光后，通过偏振分光棱镜51将532nm的平行偏振信号与垂直偏振信号分开。所述平行偏振信号经过会聚透镜52会聚到光电倍增管53的信号接收窗口上，所述垂直偏振信号经过会聚透镜54会聚到光电倍增管55的信号接收窗口上。
[0036]所述光电倍增管38、41、49、53、55和雪崩光电二极管45分别将接收到的光信号转换为电信号，通过同轴线和同轴电缆接口 BNC分别传输至所述的电控单元10。
[0037]将光学接收单元的六个探测通道采用模块化套管的结构形式进行设计，可有效屏蔽外部光对接收系统的影响，并有助于系统结构的稳定和装调的便利性。将所述光学单元19安装在采用阻尼式光学面包板形成的底座20上，如图3所示，在底座20底部的四个边角的位置分别安装弹性减震器21，以减小工作环境的振动对光学器件造成的损伤。
[0038]在本实施例的电控单元10中，主要设置有控制开关、惯导模块、工控机15、显示器U、瞬时数据采集器16、激光器电源17和不间断电源18，如图3所示。其中，所述控制开关可以包括电源控制总开关14以及用于对光电倍增管38、41、49、53、55和雪崩光电二极管45进行供电控制的探测通道电源控制开关12。所述电源控制总开关14用于控制整个系统的通电与断电，连接在不间断电源18与系统中各用电负载之间以及激光器电源17与激光器22之间。所述探测通道电源控制开关12可以方便对所述光学单元19接收信号的观察与控制。所述惯导模块用于实时记录激光雷达系统探测时的方位以及船体的摆动信息，并实时记录探测位置以及船体摆动角度大时对探测数据进行校正。所述瞬时数据采集器16包含六个数据采集通道，分别采集所述光电倍增管38、41、49、53、55和雪崩光电二极管45进行光电转换后输出的电信号，然后传送至工控机15进行分析、处理和存储，并控制显示器11进行显示。在本实施例中，优选在所述工控机15中设置无线网络模块，以便于远程端通过网络对激光雷达系统进行控制，继而降低在船上现场操作的风险。所述显示器11优选采用触摸显示器，以增加船载环境下现场工作的便利性。所述激光器电源17主要用于为激光器22供电，所述不间断电源18可以防止系统在工作期间因意外断电或电压不稳导致的电路故障，尤其是对激光器22造成的损伤。在激光器22工作时，所述不间断电源18可以作为所述激光器电源17的后备电源，为所述激光器22提供不间断供电。
[0039]图3示出的是船载多波长气溶胶激光雷达系统的核心，并可作为单独的大气激光雷达使用，具有模块化设计、结构稳定、移动方便的特点。可以搭载在地基、船载、车载等环境适宜的平台中工作。
[0040]本实施例的激光雷达系统通过采集激光与大气相互作用的355nm和1064nm的后向散射信号、387nm与407nm的拉曼回波信号以及532nm的平行偏振回波信号和532nm的垂直偏振回波信号，由此可以实现海洋大气气溶胶消光系数及后向散射系数、气溶胶光学厚度、大气能见度、云底高度、边界层高度、相对湿度和非球形粒子后向散射信号的退偏比等大气参数时空分布特征的测量。
[0041]当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:包括方舱、内置于方舱中的机柜以及至少部分地设置于所述方舱中的空气调节系统;在所述方舱的顶部设置有天窗，在所述机柜中设置有光学单元和电控单元;所述光学单元位于天窗的下方，包括激光发射单元和光学接收单元，所述激光发射单元用于发射多种波长的激光，经由所述天窗射向大气，激光与大气相互作用的后向散射光通过所述天窗经由光学接收单元接收并转换成电信号后，发送至所述的电控单元进行处理和保存。2.根据权利要求1所述的船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:在所述机柜的顶部分别设置有一个接收窗口和两个出光孔，所述激光发射单元发射三种波长的光束，分由所述的两个出光孔通过所述天窗射向大气中；所述激光与大气相互作用的后向散射光经由所述天窗和所述的接收窗口由所述的光学接收单元接收。3.根据权利要求2所述的船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:在所述激光发射单元中设置有激光器、扩束器和反射镜组件;所述激光器发射355nm、532nm和1064nm三种波长的光束，其中，532nm和1064nm波长的光束合成一束通过第一扩束器和第一反射镜组件经由其中一个所述的出光孔射出；355nm的光束通过第二扩束器和第二反射镜组件经由另外一个所述的出光孔射出。4.根据权利要求2所述的船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:在所述光学接收单元中设置有接收望远镜、多路分光镜和六路光电转换部件;所述接收望远镜接收激光与大气作用的后向散射信号，经由分光镜分离出六种光信号后，通过六条探测通道一一对应地传输至所述的六路光电转换部件，经由六路光电转换部件转换成六路电信号，分别传送至所述的电控单元。5.根据权利要求4所述的船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:在所述光学接收单元中还设置有电动小孔光阑，位于接收望远镜的出光侧，通过所述接收望远镜接收到的六种波长的光信号经由所述电动小孔光阑消除掉其中的太阳背景光后，输出至所述的分光镜;所述电控单元连接所述的电动小孔光阑，调节电动小孔光阑的孔径。6.根据权利要求1所述的船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:在所述电控单元中设置有工控机、分别连接所述工控机的惯导模块、显示器和瞬时数据采集器以及连接在系统供电回路中的控制开关;所述瞬时数据采集器接收所述光学接收单元发出的电信号，并传输至所述的工控机;在所述电控单元中还设置有用于为所述激光发射单元供电的激光器电源以及为所述电控单元和光学接收单元中的各用电部件供电的不间断电源，所述不间断电源在激光发射单元工作时，作为所述激光器电源的后备电源，为所述激光发射单元提供不间断供电。7.根据权利要求1至6中任一项所述的船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:所述光学单元和电控单元分设在机柜的左右两侧，所述光学单元安装在采用阻尼式光学面包板形成的底座上，在所述底座的下方安装有弹性减震器。8.根据权利要求1至6中任一项所述的船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:在所述空气调节系统中设置有空调器、除湿器和温湿度记录仪;所述空调器包括安装在方舱外部的室外机和安装在方舱内部的室内机;所述除湿器安装在方舱内部;所述温湿度记录仪安装在所述机柜上，检测方舱内的温度和湿度变化，并传输至所述的电控单元;所述电控单元根据温湿度记录仪检测到的方舱的温度和湿度，控制所述空调器和除湿器的工作状态，以调节方舱内的温度和湿度。9.根据权利要求1至6中任一项所述的船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:所述天窗为电动天窗，连接所述的电控单元;所述电控单元在系统启动运行后控制所述电动天窗开启，在系统停机时控制所述电动天窗关闭，以封闭所述方舱。10.根据权利要求1至6中任一项所述的船载多波长气溶胶激光雷达系统，其特征在于:所述方舱固定安装在船舶的甲板上，包括铝合金外壳以及铺设在所述铝合金外壳内侧的聚氨酯板。
【文档编号】G01S17/95GK205507086SQ201620033230
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年1月14日
【发明人】王章军, 陈超, 孟祥谦, 刘巧君, 李先欣, 刘兴涛, 杜立彬, 初鑫钊, 曲君乐, 董磊
【申请人】山东省科学院海洋仪器仪表研究所