用于臭氧激光雷达的3D扫描装置及相应臭氧激光雷达的制作方法

用于臭氧激光雷达的3d扫描装置及相应臭氧激光雷达
技术领域
1.本实用新型属于环保监测设备技术领域，涉及一种用于臭氧激光雷达的3d扫描装置，以及相应的臭氧激光雷达。


背景技术：

2.臭氧污染作为环境污染之一，引起越来越多的关注，需要相应的监测设备对空气中的臭氧加以监测。臭氧激光雷达应用差分吸收激光雷达原理，通过高能紫外激光器发射多组波长接近的脉冲激光，激光经过扩束器射到大气中与臭氧、气溶胶等发生相互作用，后向散射光被望远镜接收，得到各波长的回波信号，由差分吸收激光雷达算法反演出大气中臭氧的浓度，在臭氧监测中得以广泛应用。
3.公告号为cn215219167u的中国实用新型专利，公开了一种用于臭氧激光雷达的水平扫描装置，以及相应的臭氧激光雷达。该水平扫描装置能够水平0-360度旋转，可以实时扫描水平切面臭氧浓度分布；垂直方向0-30度可调，可以有效躲避水平切面扫描时周围建筑物遮挡。但是该扫描装置不能实现垂直方向0-360度旋转，不能满足一些应用场景的需求。
4.公告号为cn206419431u的中国实用新型专利，公开了一种传动装置和一种激光三维扫描头系统。该三维扫描头系统存在以下缺陷：水平方向转动时易向垂直轴方向偏移，光学窗口水平安装易导致反射光干扰测量。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种用于臭氧激光雷达的3d扫描装置及相应臭氧激光雷达，该3d扫描装置能够实现水平面内0-360度旋转和垂直方向0-360度旋转，从而使臭氧激光雷达可以实现垂直定点、垂直切面、水平切面等多种扫描模式。本实用新型的目的通过以下技术方案实现。
6.用于臭氧激光雷达的3d扫描装置，包括扫描单元、支撑连接单元、水平旋转单元、垂直旋转单元和电源；所述扫描单元包括扫描头及其光学窗口，第一反射镜、第一反射镜支架、第二反射镜和第二反射镜支架，两面反射镜组成潜望镜结构（即两面反射镜相互平行，与入射光的夹角为45度）；所述支撑连接单元包括扫描装置外壳、支撑机构和光路密封过渡圈；所述水平旋转单元包括水平轴驱动电机、水平联轴器、水平轴蜗杆、水平涡轮、水平传动筒和水平转动轴承，水平涡轮安装在水平转动轴承内部；所述垂直旋转单元包括垂直轴驱动电机、垂直联轴器、垂直蜗杆、垂直涡轮、垂直传动筒、垂直传动轴承、第一锥齿轮、第二锥齿轮、垂直转动筒和垂直转动轴承，垂直传动筒安装在垂直传动轴承内部，垂直转动筒安装在垂直转动轴承内部。
7.3d扫描装置垂直方向转动实现过程如下：开启电源，驱动垂直轴驱动电机，带动垂直联轴器，垂直联轴器带动垂直蜗杆转动，垂直蜗杆带动垂直涡轮转动，垂直涡轮带动垂直传动轴承内部的垂直传动筒转动，垂直传动筒带动第一锥齿轮转动，第一锥齿轮带动第二
锥齿轮转动，第二锥齿轮带动垂直转动筒转动。垂直轴驱动电机转动，带动垂直方向整个扫描头整体转动，实现扫描装置在垂直方向0-360度转动。
8.3d扫描装置垂直方向转动实现过程如下：开启电源，驱动水平轴驱动电机，带动水平联轴器转动，水平联轴器带动水平轴蜗杆转动，水平涡轮随之转动。由于水平涡轮安装在水平转动轴承内部，水平轴驱动电机转动，带动水平方向扫描头整体转动，实现扫描装置在水平方向0-360度转动。本实用新型垂直轴驱动电机和水平轴驱动电机都置于扫描装置下方，垂直轴传动机构在水平轴传动机构内部，水平方向转动时垂直轴会随之旋转。为了保证水平方向转动时垂直方向不发生转动，在水平轴驱动电机旋转时，垂直驱动电机也需要转动，以补偿垂直转动角度，从而保持垂直轴不变。
9.进一步地，所述支撑机构包括水平底板、与水平底板垂直的第一垂直底板，第一反射镜支架作为加固支撑架；所述支撑机构还包括窗口底板、与窗口底板垂直的第二垂直底板，第二反射镜支架作为加固支撑架。通过巧妙地安排反射镜支架与支撑机构的位置，使反射镜支架与支撑机构形成稳定的三角形结构，使支撑机构更加稳固。
10.进一步地，在水平底板上设有配重块，使水平方向转动更加平稳，不向垂直轴方向偏移。
11.进一步地，所述光学窗口与水平面有10度以下的夹角，通过光学窗口倾斜安装，可以改变反射光方向，避免干扰。
12.臭氧激光雷达，包括上述的3d扫描装置、站房和臭氧激光雷达本体，3d扫描装置安装在站房顶部，臭氧激光雷达本体安装在站房内部，3d扫描装置和臭氧激光雷达本体通过光路密封筒连接。
13.进一步地，所述臭氧激光雷达本体包括激光器、拉曼管、扩束镜、望远镜、光谱仪、探测器、数据采集卡和工控机。
14.激光器中发出激光，经过拉曼管激发出三个波长激光，经过扩束镜扩束，激光发出后经两面反射镜反射后，激光从3d扫描装置光学窗口发射到大气中。大气气溶胶反射光信号从3d扫描装置光学窗口进入，经两面反射镜反射后进入望远镜内部聚焦，经过光纤传入光谱仪内部，光谱仪进行分光后进入3路探测器转换为电信号，电信号通过电线传进数据采集卡采集，工控机读取数据并通过臭氧雷达算法计算出臭氧浓度。
15.基于本实用新型的3d扫描装置，臭氧激光雷达能够实现多种扫描检测模式：
16.1）垂直定点模式：设置垂直90度，水平方向固定，可实现垂直定点检测，可以实时检测臭氧浓度在大气中的高度分布。
17.2）垂直切面模式：水平方向设置0-360度中的某一角度，垂直方向设置0-360
°
旋转，可以实时扫描垂直切面臭氧浓度分布。
18.3）水平切面模式：设置水平0-360
°
旋转，并且垂直方向可以设置一定仰角，可以实时扫描水平切面臭氧浓度分布，通过设置仰角可以躲避水平方向障碍物。
19.本实用新型具有以下有益技术效果：该3d扫描装置能够实现水平面内0-360度旋转和垂直方向0-360度旋转，从而使臭氧激光雷达可以实现垂直定点、垂直切面、水平切面等多种扫描模式。反射镜支架与支撑机构形成稳定的三角形结构，使支撑机构更加稳固。水平方向转动更加平稳，不向垂直轴方向偏移。改变反射光方向，避免干扰。
附图说明
20.图1为本实用新型的3d扫描装置剖面图。
21.图2为去掉外壳后扫描装置结构示意图。
22.图3为去掉外壳后扫描装置另一方向的结构示意图。
23.图4为光信号发射示意图。
24.图5为光信号接收示意图。
25.附图标记：
26.1、水平涡轮，2、水平传动筒，3、水平转动轴承，4、扫描头底板，5、水平底板，6、垂直涡轮，7、垂直传动轴承，8、垂直传动筒，9、第一锥齿轮，10、第二锥齿轮，11、垂直转动轴承，12、垂直转动筒，13、第一反射镜，14、第二反射镜，15、扫描头及其光学窗口，16、电源外壳，17、密封外壳，18、水平外壳，19、垂直外壳，20、光路密封过渡圈，21、垂直轴驱动电机，22、垂直联轴器，23、垂直轴蜗杆，24、水平轴驱动电机，25、水平联轴器，26、水平轴蜗杆，27、配重块，28、第一反射镜支架，29、第一垂直底板，30、第二垂直底板，31、第二反射镜支架，32、窗口底板。
具体实施方式
27.下面结合说明书附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型的保护范围。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量或位置。
29.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
30.实施例1
31.用于臭氧激光雷达的3d扫描装置，如图1-3所示，包括扫描单元、支撑连接单元、水平旋转单元、垂直旋转单元和电源。所述扫描单元包括扫描头及其光学窗口15，第一反射镜13、第一反射镜支架28、第二反射镜14和第二反射镜支架31，两面反射镜组成潜望镜结构。所述支撑连接单元包括扫描装置外壳、支撑机构和光路密封过渡圈20；扫描装置外壳包括扫描头底板4、电源外壳16、密封外壳17、水平外壳18、垂直外壳19；所述支撑机构包括水平底板5、与水平底板5垂直的第一垂直底板29，第一反射镜支架28作为加固支撑架；所述支撑机构还包括窗口底板32、与窗口底板32垂直的第二垂直底板30，第二反射镜支架31作为加
固支撑架；反射镜支架与支撑机构形成稳定的三角形结构，使支撑机构更加稳固。
32.所述水平旋转单元包括水平轴驱动电机24、水平联轴器25、水平轴蜗杆26、水平涡轮1、水平传动筒2和水平转动轴承3，水平涡轮1安装在水平转动轴承3内部。所述垂直旋转单元包括垂直轴驱动电机21、垂直联轴器22、垂直蜗杆23、垂直涡轮6、垂直传动筒8、垂直传动轴承7、第一锥齿轮9、第二锥齿轮10、垂直转动筒12和垂直转动轴承11，垂直传动筒8安装在垂直传动轴承7内部，垂直转动筒12安装在垂直转动轴承11内部。
33.在水平底板5上设有配重块27，使水平方向转动更加平稳，不向垂直轴方向偏移。光学窗口与水平面有10度以下的夹角，通过光学窗口倾斜安装，可以改变反射光方向，使其不能进入光学系统中。
34.3d扫描装置垂直方向转动实现过程如下：开启电源，驱动垂直轴驱动电机21，带动垂直联轴器22，垂直联轴器22带动垂直蜗杆23转动，垂直蜗杆23带动垂直涡轮6转动，垂直涡轮6带动垂直传动轴承7内部的垂直传动筒8转动，垂直传动筒8带动第一锥齿轮9转动，第一锥齿轮9带动第二锥齿轮10转动，第二锥齿轮10带动垂直转动筒12转动。因垂直转动筒12安装在垂直转动轴承11内部，垂直轴驱动电机21转动，带动垂直方向整个扫描头整体转动，实现扫描装置在垂直方向0-360度转动。
35.3d扫描装置垂直方向转动实现过程如下：开启电源，驱动水平轴驱动电机24，带动水平联轴器25转动，水平联轴器25带动水平轴蜗杆26转动，水平涡轮1和水平传动筒2随之转动。由于水平涡轮1安装在水平转动轴承3内部，水平转动轴承3固定在扫描头底板4中间，水平涡轮1转动相应带动水平底板5转动，因此水平轴驱动电机24转动，带动水平方向扫描头整体转动，实现扫描装置在水平方向0-360度转动。为了保证水平方向转动时垂直方向不发生转动，在水平轴驱动电机24旋转时，垂直驱动电机21也需要转动，以补偿垂直转动角度，从而保持垂直轴不变。
36.光信号发射过程如图4所示。激光从图4中a点向上发出，经过第一反射镜13的b点，反射到第二反射镜14的c点后向外反射，经过光学窗口15的d点发射到大气中。因两个反射镜角度安装同为45
°
，激光反射角度也为45
°
，形成90
°
反射角，激光从a点发出可以从d点发射到大气中。
37.光信号接收过程如图5所示。激光在大气中的后向散射信号，经过光学窗口15的d点进入扫描头内部，光信号经过第二反射镜14的c点，反射到第一反射镜13的b点，向下反射到雷达接收望远镜的a点，形成信号接收回路。
38.实施例2
39.臭氧激光雷达，包括实施例1的3d扫描装置、站房和臭氧激光雷达本体，3d扫描装置安装在站房顶部，臭氧激光雷达本体安装在站房内部，3d扫描装置和臭氧激光雷达本体通过光路密封筒连接。所述臭氧激光雷达本体包括激光器、拉曼管、扩束镜、望远镜、光谱仪、探测器、数据采集卡和工控机。
40.激光器中发出激光，经过拉曼管激发出三个波长激光，经过扩束镜扩束，激光发出后经两面反射镜反射后，激光从3d扫描装置光学窗口发射到大气中。大气气溶胶反射光信号从3d扫描装置光学窗口进入，经两面反射镜反射后进入望远镜内部聚焦，经过光纤传入光谱仪内部，光谱仪进行分光后进入3路探测器转换为电信号，电信号通过电线传进数据采集卡采集，工控机读取数据并通过臭氧雷达算法计算出臭氧浓度。
41.臭氧激光雷达能够实现多种扫描检测模式：
42.1）垂直定点模式：设置垂直90度，水平方向固定，可实现垂直定点检测，可以实时检测臭氧浓度在大气中的高度分布。
43.2）垂直切面模式：水平方向设置0-360度中的某一角度，垂直方向设置0-360
°
旋转，可以实时扫描垂直切面臭氧浓度分布。
44.3）水平切面模式：设置水平0-360
°
旋转，并且垂直方向可以设置一定仰角，可以实时扫描水平切面臭氧浓度分布，通过设置仰角可以躲避水平方向障碍物。
45.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本实用新型的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。