一种近地面扫描探测臭氧激光雷达的制作方法

1.本实用新型涉及激光雷达的技术领域，尤其涉及一种近地面扫描探测臭氧激光雷达。


背景技术：

2.臭氧是地球大气中重要的微量成分之一。对流层的臭氧主要为自然源，其显著特征是吸收太阳光谱中大部分的紫外波段，从而保护地面的动植物免受紫外辐射的伤害；而对流层，尤其是边界层内的臭氧主要是人为源，由于其强氧化特性，高浓度的臭氧会对人类健康、动植物生长和生态环境产生直接严重危害。因此，近地面臭氧的扫描探测有着重要意义。
3.目前市场的大气臭氧探测激光雷达由发射系统、光学接收系统、探测系统三部分组成，利用差分原理，利用待测吸收气体对两个激光波长的吸收差别确定气体浓度。虽然有效探测距离大，时空分辨率高，但望远镜尺寸体积较大，装调麻烦，且盲区和几何因子较大，无法探测近地面臭氧浓度。


技术实现要素：

4.为了解决了上述技术问题，本实用新型提出了一种近地面扫描探测臭氧激光雷达，具体技术方案如下：
5.一种近地面扫描探测臭氧激光雷达，包括按照光路依次设置的
6.发射系统，用于向大气发射信号；
7.接收系统，用于接收大气的回波信号，包括按光路依次设置的望远镜和后继光路，所述后继光路采用光纤耦合；
8.探测器，将接收系统接收到的光信号放大并转换为电信号；
9.数据采集模块，与探测器连接，采集探测器采集到的电信号；
10.工控机，与发射系统中的激光器和数据采集模块连接，同步控制激光器出光和数据采集模块采集数据。
11.具体地说，还包括扫描单元，所述扫描单元位于发射系统和接收系统顶部中心位置，所述扫描单元包括扫描镜头、驱使扫描镜头转动的传动机构、控制传动机构状态的扫描控制器，所述扫描镜头包括按照发射光路依次设置的一组宽反镜片、一个多波长窗片；所述扫描单元与工控机连接。
12.具体地说，所述扫描单元控制扫描镜头在俯仰方向上-5
°
～185
°
扫描，在水平方位上0
°
～360
°
扫描。
13.具体地说，所述发射系统包括依次相连的激光器、拉曼管和反射镜，拉曼管的前、后端设有紫外光学窗口。
14.具体地说，所述拉曼管内部气压为1.6-1.7mpa。
15.具体地说，所述后继光路包括按光路依次设置的紫外光纤、光纤耦合器、二向色
镜、窄带滤光片和会聚透镜。
16.具体地说，所述探测器通过套筒与所述会聚透镜连接。
17.具体地说，所述窄带滤光片的带宽为1nm。
18.具体地说，所述紫外光纤的na为0.22；其芯径为300-400μm。
19.具体地说，所述望远镜口径为1英寸，焦距为60-75mm。
20.本实用新型的优点在于：
21.(1)本技术通过对望远镜单元接收视场角的设计有效减小雷达的盲区和几何因子，且体积相比传统系统缩小几十倍。在雷达发射与接收单元顶部中心位置安装了扫描单元，能控制发射激光和接受信号的方向和相对地平线的角度。通过工控机控制激光器、数据采集模块和扫描单元能得到近地面臭氧浓度的空间分布。
22.(2)本技术通过窄带滤光片抑制背景噪音。
23.(3)本技术通过设置扫描单元，实现对天半球上任意一个角度的测量。
24.(4)后继光路采用光纤耦合方案代替传统透镜组合接收信号，提供更大的自由度和节约更多的空间和成本。
附图说明
25.图1为一种近地面扫描探测臭氧激光雷达的结构示意图。
26.图2为接收系统的光路图。
27.图中：
28.1、激光器；2、拉曼管；3、反射镜；4、望远镜；5、紫外光纤；6、光纤耦合器；7、二向色镜；8、窄带滤光片；9、会聚透镜；10、探测器；11、数据采集模块；12、工控机；13、扫描单元。
具体实施方式
29.实施例1
30.如图1-2所示，一种近地面扫描探测臭氧激光雷达，包括按照光路依次设置的
31.发射系统，用于向大气发射信号，包括依次相连的激光器1、拉曼管2和反射镜3。所述激光器1为固体激光器，激光器电源由ups电源提供。所述拉曼管2为金属管,拉曼管2的前、后端设有紫外光学窗口,在拉曼管2内部气压为1.6-1.7mpa，激发出289nm和316nm波长的拉曼受激散射光。
32.接收系统，用于接收大气的回波信号，包括依次相连的望远镜4、紫外光纤 5、光纤耦合器6、二向色镜7、窄带滤光片8和会聚透镜9；所述望远镜4口径为1英寸，焦距为60-75mm，在该方案中，焦距为75mm，尺寸和体积较传统望远镜缩小几十倍；接收视场角大于5mrad，有效减小几何因子。所述紫外光纤5 的na为0.22；其芯径为300-400μm。在该方案中焦距为400μm。所述窄带滤光片8的带宽为1nm，能有效抑制大接收视场下的杂散光背景信号。
33.探测器10，将接收系统接收到的光信号放大并转换为电信号，通过套筒与所述会聚透镜9连接，获得经过二向色镜7、窄带滤光片8分光和滤光得到的不同波长的光；
34.数据采集模块11，与探测器10连接，采集探测器10采集到的电信号；所述数据采集模块11包括多通道模拟和光子计数两种采集方式。
35.工控机12，与所述激光器1、数据采集模块11连接，同步控制激光器1出光、数据采集模块11采集数据和扫描单元13的扫描方位角度；
36.扫描单元13，安装在雷达发射系统与接收系统顶部中心位置，控制发射激光、回波信号方向和相对地平面的角度。工控机12还和扫描单元13连接，控制扫描单元的扫描角度。扫描单元13包括扫描镜头、驱使扫描镜头转动的传动机构、控制传动机构状态的扫描控制器，所述扫描镜头包括按照发射光路依次设置的一组宽反镜片、一个多波长窗片，光发射和回波信号接收共用同一组扫描镜头，扫描镜头在工控机12的控制下能在俯仰方向和水平方向上转动。在俯仰方向上可实现-5
°
～185
°
扫描，在水平方位上可实现0
°
～360
°
扫描。因此，可以在对天半球上任意一个角度进行测量并可以进行三维扫描测量。
37.具体工作原理如下：
38.激光器1、数据采集模块11和扫描单元13分别与工控机12互相连接，发射到大气的激光经由探测路径上的大气分子、臭氧等大气成分散射，产生回波信号，望远镜接收大气的回波信号，光纤耦合器6将散射光准直耦合进光纤，最后聚焦于探测器10的靶面。探测器10进行光信号的放大并转换为电信号,由探测器10采集到的电信号被传输到数据采集模块11，该模块能够同时采集模拟信号和光子信号，进而扩大了信号的采集范围。工控机12同步控制激光器1的出光时间、扫描单元13的方向和角度、数据采集模块11的采集时间，并进行数据处理和算法处理。
39.需要注意的是：本技术中所述的数据处理和算法处理的软件部分不属于本技术所要保护的范围。
40.实施例2
41.与实施例1的区别是所述望远镜4的焦距为75mm。所述紫外光纤5的na 为0.22；其芯径为400μm。
42.实施例3
43.与实施例1的区别是所述望远镜4的焦距为70mm。所述紫外光纤5的na 为0.22；其芯径为350μm。
44.以上仅为本实用新型创造的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型创造，凡在本实用新型创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型创造的保护范围之内。