一种用于云层测量的激光收发装置的制作方法

1.本实用新型涉及气象观测技术领域，尤其涉及一种用于云层测量的激光收发装置。


背景技术：

2.现有的气象观测装备主要固定式占多数，虽然在实际保障中发挥了重要作用，但受多种因素影响，其保障效果与“保障有力”需求相比还有一定差距，突出表现在：缺乏整体设计，资源配置优化不够；单装单用，集成性差；小型化程度不高，储运集约性低等。因此，急需加强小型化、集成化设计，研制易携行的地面气象观探测设备，为快速形成气象保障能力提供支撑。
3.为了研制易携行的地面气象观探测设备，采用有效的小体积的激光收发装置是缩小激光测量设备的重点。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种用于云层测量的激光收发装置，用以解决现有的激光气象测量设备小型化困难的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：
6.一种用于云层测量的激光收发装置，包括纵向平行并列设置的激光发射光路与激光回波接收光路；激光发射光路包括由后之前依次设置的激光发射器、发射干涉滤光片以及发射透镜；激光回波接收光路包括由后之前依次设置的激光接收器、接收干涉滤光片以及接收透镜；发射透镜和接收透镜的纵向位置齐平，接收透镜的直径以及焦距均大于发射透镜。
7.作为本实用新型的方法的进一步改进：
8.发射干涉滤光片的纵向位置在接收干涉滤光片的纵向位置之前。
9.发射透镜和接收透镜均为凸透镜，激光发射器和激光接收器均设置与对应的凸透镜的焦点位置；从而使得发射透镜将激光发射器发射的激光进行准直后射出，接收透镜接收大气后向散射的激光回波并汇聚至激光接收器。
10.激光发射光路与激光回波接收光路设置为纵向并列双筒结构，并列双筒结构的纵向中线上还设置有瞄准组件。
11.激光收发装置还包括信号处理板，信号处理板分别与激光发射光路与激光回波接收光路连接；信号处理板包括时序控制电路以及信号处理中心；激光发射器包括激光发射板，激光发射板上设置有控制电路、驱动电路、第一温度采集单元、电流采集电路以及激光二极管；
12.控制电路接收来自时序控制电路的同步时序，以通过同步时序经驱动电路控制激光二极管的导通及截止；
13.控制电路通过第一温度采集单元采集激光二极管的环境温度，转发至信号处理中
心，电流采集电路采集激光二极管的工作电流转换成数字信号传输至信号处理中心，信号处理中心根据激光二极管的环境温度经驱动电路调整激光二极管的偏置电压。
14.激光接收器包括光电二极管、信号转换电路、滤波电路、差分电路以及第二温度采集单元；光电二极管经信号转换电路将接收到的光信号依次转换成电流信号和电压信号，经过滤波电路进行前置滤波以及差分电路进行差分放大后，转换成数字信号传输至信号处理中心，信号处理中心根据激光二极管的工作电流，以及来自光电二极管的电流信号和电压信号的值判断是否有云以及云底高度；
15.第二温度采集单元采集光电二极管的环境温度，并转换成数字信号后传输至信号处理中心，信号处理中心据光电二极管的环境温度自动调整光电二极管的偏置电压。
16.发射透镜外侧设置有发射窗口，接收透镜外侧设置有接收窗口，发射窗口和接收窗口均设置有用于检测窗口是否被冰雪覆盖的窗口检测电路以及用于加热融化窗口的冰雪的加热器，窗口检测电路包括与光电二极管相连的峰值检波器以及单片机，峰值检波器通过从光电二极管接收到的测试回波信号进行峰值检波后转换成数字信号输入单片机，单片机根据数字信号的值判断发射窗口或接收窗口的是否被冰雪覆盖以及污染程度，并控制是否开启加热器以融化窗口的冰雪。
17.发射窗口和接收窗口处还设置有用于将热量导出的散热器以及用于使热量均匀分布的风扇。
18.本实用新型具有以下有益效果：
19.1、本实用新型的用于云层测量的激光收发装置，纵向平行并列设置的激光发射光路与激光回波接收光路，通过接收透镜的的直径以及焦距均大于所述发射透镜，可以通过以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气的后向散射信号，通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速，另外通过分析后向散射信号的强度，可以反演云底高度。便于携带，且测量精准。本系统可根据任务要求实施观测，不受时间、地点限制，布设方便，操作简单，可作为现役气象观测业务体系的重要补充，为专业人员预报保障、科研研究等提供更及时准确的气象观测数据。
20.2、在优选方案中，本实用新型用于云层测量的激光收发装置，与车载和固定式气象观测系统相比，携行、装载方便，灵活性更强，采用模块化、小型化技术，易携行，可实现野外环境下气象要素的观测，及时掌握任务区域气象情况、科学制定行动计划提供支持。
21.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
22.构成本技术的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
23.图1是本实用新型优选实施例的用于云层测量的激光收发装置的结构原理示意图；
24.图2是本实用新型优选实施例的平行轴激光雷达系统重叠因子计算示意图；
25.图3是本实用新型优选实施例的用于云层测量的激光收发装置的电路原理框图；
26.图4是本实用新型优选实施例的信号处理板的电路原理框图；
27.图5是本实用新型优选实施例的激光发射板的电路原理框图；
28.图6是本实用新型优选实施例的激光接收板的电路原理框图；
29.图7是本实用新型优选实施例的窗口检测电路框图。
30.图中各标号表示：
31.1、激光发射器；2、发射干涉滤光片；3、发射透镜；4、发射窗口玻璃；5、激光接收器；6、接收干涉滤光片；7、接收透镜；8、接收窗口玻璃。
具体实施方式
32.以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
33.图1是本实施例中所称的用于云层测量的激光收发装置，包括纵向平行并列设置的激光发射光路与激光回波接收光路；激光发射光路包括由后之前依次设置的激光发射器1、发射干涉滤光片2以及发射透镜3；激光回波接收光路包括由后之前依次设置的激光接收器5、接收干涉滤光片6以及接收透镜7；发射透镜3和接收透镜7的纵向位置齐平，接收透镜7的直径以及焦距均大于发射透镜3。发射干涉滤光片2的纵向位置在接收干涉滤光片6的纵向位置之前。
34.实施时，发射透镜3和接收透镜7均为凸透镜，激光发射器1和激光接收器5均设置与对应的凸透镜的焦点位置；从而使得发射透镜3将激光发射器1发射的激光进行准直后射出，接收透镜7接收大气后向散射的激光回波并汇聚至激光接收器5。激光发射光路与激光回波接收光路设置为纵向并列双筒结构，并列双筒结构的纵向中线上还设置有瞄准组件。
35.本实施例中，激光发射器1采用中心波长为905nm的ingaas半导体激光器，重复频率5khz，脉冲宽度为100ns，最大峰值功率325瓦。发射扩散角为1.2毫弧度，发射光管置于发射透镜3的焦点处。激光发射透镜3的材质采用k9光学玻璃；直径：80mm；最大厚度：15mm；焦距145mm；中心透过波长：905nm。接收器采用雪崩光电二极管(apd)，接收视场角为1.2毫弧度，接收器光敏面积0.2mm2，接收透镜7位于接收窗口。激光接收透镜7的材质采用k9光学玻璃；直径：80mm；最大厚度：15mm；焦距：145mm；中心透过波长：905nm。
36.图2中，l0为激光装置的盲区，从这一区域激光经大气一次散射的辐射光不能落到接收系统的视场内，因此从这一区域不形成信号。从l1区域产生的散射辐射开始落入接收器的视场内。此区域之后，发射光束完全落入接收光学系统的视场内。对于不同的激光雷达系统l0和l1区域的量值是不同的，并取决于接收和发射系统的特性及相互位置。
37.本实施例中，激光发射器1使用的光源为半导体激光器，其主要光学特性如表1所示：
38.表1激光该装置光源特性参数表
39.发光功率(w)325总发光区域面积(μm
×
μm)200*440水平发散角10
°
垂直发散角25
°
中心波长(nm)905
带宽(nm)6.5阵列形式5*3单个发光单元面积(μm
×
μm)200*10
40.本实施例中，激光接收器5为高性能高增益的apd，其有效感光直径为0.5mm，有效感光面积为0.2mm2。
41.本实施例中，参见图3，图4，激光收发装置还包括信号处理板，信号处理板分别与激光发射光路与激光回波接收光路连接，还包括电源板，驱动板，窗口加热板，加热板和窗口检测板。参见图4，信号处理板作为该装置的处理中心，信号处理板包括时序控制电路以及信号处理中心。信号处理板连接该装置的各个模块或电路板，接收其他模块和电路板的状态和数据信息，并对信息进行分析处理输出控制信息或命令响应。信号处理板实现了设备状态信息的tft显示驱动(预留)，通讯驱动，廓线数据的存储与回读，设备运行参数的存储，设备倾角的检测，激光发射管的驱动电压的产生及程控，激光接收管驱动电压的产生及程控，电压的高速模数转换，同步时序的产生，数据的积分/算法的实现/逻辑的实现/人机交互命令的响应等。
42.本实施例的用于云层测量的激光收发装置，其通讯可同时包含rs232/rs485/rs422三种通讯接口，并且三种通讯接口可以根据客户的要求进行配置。激光收发装置可采用flash芯片作为历史数据和设备运行参数的存储设备。还可以设置加速度传感器，使用加速度传感器作为检测设备相对于铅锤方向的倾角。该芯片为模拟量输出，将其输出直接接入单片机的adc管脚即可。并且可以通过设置其输出电容来设置其反应速度。
43.本实施例中，参见图5，激光发射器1包括激光发射板，激光发射板上设置有控制电路、驱动电路、第一温度采集单元、电流采集电路以及激光二极管；控制电路接收来自时序控制电路的同步时序，以通过同步时序经驱动电路控制激光二极管的导通及截止；控制电路通过第一温度采集单元采集激光二极管的环境温度，转发至信号处理中心。因为激光二极管工作周期为2.5khz，每个周期内工作50-100ns，为了精确判断激光二极管的工作电流，在该电路板上加装了电流采集电路，电流采集电路采集激光二极管的工作电流转换成数字信号传输至信号处理中心，信号处理中心根据激光二极管的环境温度经驱动电路调整激光二极管的偏置电压。
44.本实施例中，参见图6，激光接收器5包括光电二极管、信号转换电路、滤波电路、差分电路以及第二温度采集单元；光电二极管经信号转换电路将接收到的光信号依次转换成电流信号和电压信号，经过滤波电路进行前置滤波以及差分电路进行差分放大后，转换成数字信号传输至信号处理中心，信号处理中心根据激光二极管的工作电流，以及来自光电二极管的电流信号和电压信号的值判断是否有云以及云底高度以及窗口污染程度等信息(以激光器为光源向大气发射激光脉冲，接收大气的后向散射信号，所述信号处理板通过分析发射激光的径向多普勒频移来反演风速，另外通过分析后向散射信号的强度，可以反演云底高度)。第二温度采集单元采集光电二极管的环境温度，并转换成数字信号后传输至信号处理中心，信号处理中心据光电二极管的环境温度自动调整光电二极管的偏置电压。
45.本实施例中，发射透镜3外侧设置有发射窗口，装设有发射窗口玻璃4；接收透镜7外侧设置有接收窗口，装设有接收窗口玻璃8；发射窗口和接收窗口均设置有用于检测窗口是否被冰雪覆盖的窗口检测电路以及用于加热融化窗口的冰雪的加热器。参见图7，窗口检
测电路包括与光电二极管相连的峰值检波器以及单片机，峰值检波器通过从光电二极管接收到的测试回波信号进行峰值检波后转换成数字信号输入单片机，单片机根据数字信号的值判断发射窗口或接收窗口的是否被冰雪覆盖以及污染程度，并控制是否开启加热器以融化窗口的冰雪。发射窗口和接收窗口处还设置有用于将热量导出的散热器以及用于将热量均匀分布于整个空间的风扇。
46.综上可知，本实用新型的用于云层测量的激光收发装置，便于携带，且测量精准。本系统可根据任务要求实施观测，不受时间、地点限制，布设方便，操作简单，可作为现役气象观测业务体系的重要补充，为专业人员预报保障、科研研究等提供更及时准确的气象观测数据。与车载和固定式气象观测系统相比，携行、装载方便，灵活性更强，采用模块化、小型化技术，易携行，可实现野外环境下气象要素的观测，及时掌握任务区域气象情况、科学制定行动计划提供支持。
47.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。