一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体来说，涉及一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统。

背景技术

温湿度的变化与人类生产、生活密切相关，也是大气观测中重要的两个气象要素，其中温度是很多大气模式的重要参量，被广泛应用于大气动力学和气候变化的研究中，湿度即水汽在环境、气象、气候和今年是领域扮演了十分重要的角色，同时大量的研究表明大气气溶胶的浓度也收到大气温湿度的影响。因此，地面垂直高度上大气温湿度廓线的探测对于研究气候环境、人类健康、人类生产生活具有重要意义。

目前，探测大气温湿度的手段包括微波辐射计、探空气球和激光雷达等，但微波辐射计主要存在反演精度不足、分辨率低等问题，而探空气球成本高、费时费力，并且受高空飘逸影响，气球上升时间和运动轨迹随机不受控，严重影响观测精度，同时激光雷达相对探空气球，其光束指向性强，探测路径固定，具备更高更精确的时空分辨率。

但激光雷达存在系统不稳定性、需要定期进行维护修正的缺陷，同时为了保证激光器和整个系统对环境温湿度的要求，通常需要配备方舱用于环控，导致系统整体体积、重量过大，不便于搬运以及多场地的转场探测，同时也提高了对安装场地的要求。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

为此，本发明采用的具体技术方案如下：

一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统，包括防护壳体，防护壳体的内部一侧设置有光机单元，光机单元的底端设置有后继光路单元，光机单元与后继光路单元的一侧设置有数据处理单元；

通过光机单元保证探测过程中激光发射轴和信号接收轴平行度的稳定，并将激光发射至被探测空域接收回波信号进行后续处理；

通过后继光路单元对接收到的光信号进行准直、分离提取、衰减与滤光处理操作后转换为电信号；

通过数据处理单元为各个单元提供供电与通信以及对数据进行处理分析得到温湿度数据。

优选的，防护壳体包括壳体，壳体的内部设置有空调，空调的一侧设置有两组风扇，壳体的外侧设置有窗口镜。

优选的，光机单元包括安装于壳体内部的光机系统支架，光机系统支架的顶端设置有全固态激光器，全固态激光器的顶端设置有电动调整架，电动调整架的顶端设置有扩束镜，扩束镜的一侧设置有反射镜，反射镜的一侧设置有发射转接板；光机单元还包括安装于全固态激光器一侧的望远镜，望远镜的底端设置有焦点调节法兰座，焦点调节法兰座的底端且位于光机系统支架的内部设置有光纤。

优选的，望远镜用于收集大气回波信号；

焦点调节法兰座用于调节后续光纤的端面，使端面处于焦点内；

光纤用于将望远镜接收到的信号光传输至后继光路单元内进行光信号处理。

优选的，后继光路单元包括安装于光机系统支架底端的后继光路壳体，后继光路壳体的顶端设置有准直径，准直径的一侧设置有分光镜一，分光镜一的一侧设置有分光镜二，分光镜二的顶部设置有衰减片一，衰减片一的顶部设置有滤光片一，分光镜二的一侧设置有衰减片二，衰减片二的一侧设置有滤光片二。

优选的，分光镜一的一端设置有高反镜，高反镜的一端设置有衰减片三，衰减片三的一端设置有滤光片三；高反镜的一侧设置有分光镜三，分光镜三的一端设置有衰减片四，衰减片四的一端设置有滤光片四，分光镜三的一侧设置有衰减片四，衰减片四的一侧设置有滤光片四。

优选的，衰减片一用于对波长为386nm的信号光进行衰减；

衰减片二用于对波长为407nm的信号光进行衰减；

衰减片三用于对波长为355nm的信号光进行衰减；

衰减片四用于对波长为354nm的信号光进行衰减；

衰减片五用于对波长为354nm的光信号进行衰减。

优选的，滤光片一、滤光片二、滤光片三、滤光片四及滤光片五的一侧均设置有PMT；

PMT用于将接收到的光信号转换为电信号并应用于数据分析反演；

滤光片一，用于对波长为386nm的信号进行识别；

滤光片二，用于对波长为407nm的信号光进行识别；

滤光片三，用于对波长为355nm的信号光进行识别；

滤光片四，用于对波长为353nm的信号光进行识别；

滤光片五，用于对波长为354nm的信号光进行识别。

优选的，数据处理单元包括设置于壳体内部的系统控制箱，系统控制箱的底部设置有激光器驱动，激光器驱动的底部设置有激光器冷水机，的底部设置有数据采集处理模块。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出的光机单元紧密结合成一体，大大降低尺寸和重量，在高低温和振动环境下的光机系统稳定性更高，环境适应性更强，同时接收光路中的后继光路单元与望远镜通过一根光纤连接，大大降低空间光装调的难度，也使得结构设计更具灵活性和稳定性，可以更好的进行系统布局，提高空间利用率，减小产品尺寸和重量，进一步提升系统稳定性。

2、本发明提出的连接光纤规格可灵活选配且方便更换，以便匹配激光发散角和望远镜接收视场角，提升系统性能，同时后继光路单元中的PMT的环控设计，通过控制PMT的工作环境使其运行稳定、可靠且一致，使系统稳定性得到保证和提升，且后继光路单元每路增加衰减片，衰减倍率可调，进而能够根据不同信号通道的需要控制和降低背景噪声，真正实现全天候、不同季节不同时段的有效观测。

3、本发明将壳体隔离成两个空间，一个电控室，一个光机室，降低电控热源对光机单元的影响，通过将一个空调的出风分送到两个腔室进行系统环控，保证光机系统的环境稳定性，以及电控部分的散热，通过合理的系统布局缩小体积和重量，提高系统运行稳定性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统中防护壳体的示意图；

图3是根据本发明实施例的一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统中光机单元的示意图；

图4是根据本发明实施例的一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统中后继光路单元的示意图；

图5是根据本发明实施例的一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统中数据处理单元的示意图。

图中：

1、光机单元；101、全固态激光器；102、电动调整架；103、扩束镜；104、反射镜；105、发射转接板；106、望远镜；107、焦点调节法兰座；108、光纤；109、光机系统支架；2、后继光路单元；201、后继光路壳体；202、准直径；203、分光镜一；204、分光镜二；205、衰减片一；206、滤光片一；207、PMT；208、衰减片二；209、滤光片二；210、高反镜；211、衰减片三；212、滤光片三；213、分光镜三；214、衰减片四；215、滤光片四；216、衰减片五；217、滤光片五；3、数据处理单元；301、系统控制箱；302、激光器驱动；303、激光器冷水机；304、数据采集处理模块；4、防护壳体；401、壳体；402、空调；403、风扇；404、窗口镜。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。

根据本发明的实施例，提供了一种高集成高稳定的温湿度激光雷达系统。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的高集成高稳定的温湿度激光雷达系统，具体的图1至图5中①表示风向，该系统包括防护壳体4，防护壳体4的内部一侧设置有光机单元1，光机单元1的底端设置有后继光路单元2，光机单元1与后继光路单元2的一侧设置有数据处理单元3。

通过光机单元1保证探测过程中激光发射轴和信号接收轴平行度的稳定，并将激光发射至被探测空域接收回波信号进行后续处理。

需要说明的是，通过光机单元1实现将激光发射到被探测空域并由望远镜接收回波信号进行后续的处理，同时保证了运输搬运、车载走航运行和长期探测过程中对激光发射轴和信号接收轴平行度的要求，即光机单元1的稳定。

通过后继光路单元2对接收到的光信号进行准直、分离提取、衰减与滤光处理操作后转换为电信号。

通过数据处理单元3为各个单元提供供电与通信以及对数据进行处理分析得到温湿度数据。

如图2所示，在本实施例中，防护壳体4包括壳体401，壳体401的内部设置有空调402，空调402的一侧设置有两组风扇403，壳体401的外侧设置有窗口镜404。

需要说明的是，壳体401主要用于提供系统安装固定，以及防尘防水以适应户外使用工况，空调402用于系统的环境控制，满足各单元与部件对温湿度环境的要求，风扇403主要是将空调出来的冷热空气分流到光机系统腔室，实现光机系统的环控，窗口镜404主要是透过全固态激光器101发射的激光，同时也透过大气回波信号光。

如图3所示，在本实施例中，光机单元1包括安装于壳体401内部的光机系统支架109，光机系统支架109的顶端设置有全固态激光器101，全固态激光器101的顶端设置有电动调整架102，电动调整架102的顶端设置有扩束镜103，扩束镜103的一侧设置有反射镜104，反射镜104的一侧设置有发射转接板105；光机单元1还包括安装于全固态激光器101一侧的望远镜106，望远镜106的底端设置有焦点调节法兰座107，焦点调节法兰座107的底端且位于光机系统支架109的内部设置有光纤108。

需要说明的是，全固态激光器101主要用于提供系统运行所需的激光源，电动调整架102主要用于光路的电动装调，同时可作为整体系统在外场运行失调后的备用调节方案，扩束镜103主要是对全固态激光器101的光束直径进行扩束，反射镜104是将激光反射出去打至被探测空域。

发射转接板105为整个发射光路提供稳定、可靠的安装平台，望远镜106主要是尽可能的收集大气回波信号，焦点调节法兰座107主要用于调节光纤108的端面，使端面处于焦点，光纤108主要用于将望远镜接收的信号光传输到后继光路系统进行光信号的处理，光机系统支架109是为光机单元1提供稳定、可靠的安装和支撑。

如图4所示，在本实施例中，后继光路单元2包括安装于光机系统支架109底端的后继光路壳体201，后继光路壳体201的顶端设置有准直径202，准直径202的一侧设置有分光镜一203，分光镜一203的一侧设置有分光镜二204，分光镜二204的顶部设置有衰减片一205，衰减片一205的顶部设置有滤光片一206，分光镜二204的一侧设置有衰减片二208，衰减片二208的一侧设置有滤光片二209；分光镜一203的一端设置有高反镜210，高反镜210的一端设置有衰减片三211，衰减片三211的一端设置有滤光片三212；高反镜210的一侧设置有分光镜三213，分光镜三213的一端设置有衰减片四214，衰减片四214的一端设置有滤光片四215，分光镜三213的一侧设置有衰减片五216，衰减片五216的一侧设置有滤光片五217，滤光片一206、滤光片二209、滤光片三212、滤光片四215及滤光片五217的一侧均设置有PMT207。

需要说明的是，后继光路壳体201主要是为了后继光路单元2提供稳定的安装平台以及密封，准直径202将光纤传输过来的光束进行准直使后续光路均匀分布，分光镜一203是将大气回波信号中的成分进行分解，透过386nm和407nm的光信号，将其余成分的信号进行反射。

分光镜二204主要是透过407nm的光信号、反射386nm的光信号，衰减片一205将入射的386nm信号光进行衰减，滤光片一206为超窄带滤光片，针对386nm的信号进行精准识别以提高信噪比，PMT207主要是将接收到的光信号转换成电信号用于数据分析反演，PMT207设计有专用的温控装置用以保证其工作条件的稳定，提高整个系统的稳定性；衰减片二208主要是衰减407nm的信号光，同时滤光片二209为超窄带滤光片，针对407nm的信号进行精准识别以提高信噪比。

高反镜210将353nm和354nm的光信号进行反射，并且具有较高的反射率，同时透过355nm的光信号，衰减片三211对355nm的信号光进行衰减，滤光片三212为超窄带滤光片，针对355nm的信号进行精准识别以提高信噪比，分光镜三213用于反射353nm的光信号，透过354nm光信号，衰减片四214对354nm的信号光进行衰减，滤光片四215为超窄带滤光片，针对353nm的信号进行精准识别以提高信噪比，衰减片五216针对354nm的光信号进行衰减，滤光片五217为超窄带滤光片，针对354nm的信号进行精准识别以提高信噪比。

综上，利用发射激光遇到大气分子与之作用激发出波长为353nm、354nm、355nm、386nm、和407nm的后向散热光信号，通过望远镜106接收传输给后继光路单元2进行准直、分离提取、衰减和滤光处理，最终聚焦到PMT207转换成电信号以便进行数据采集、分析和反演得到温湿度数据。

如图5所示，在本实施例中，数据处理单元3包括设置于壳体401内部的系统控制箱301，系统控制箱301的底部设置有激光器驱动302，激光器驱动302的底部设置有激光器冷水机303，的底部设置有数据采集处理模块304。

需要说明的是，系统控制箱301一方面给系统各单元与部件提供必要的供电、通信，以及系统各单元运行的逻辑控制，另外后继光路单元2中的PMT207将接收的光信号转换成电信号，通过采集卡采集并发送到系统控制箱301中的数据采集处理模块304，数据采集处理模块304进行数据处理得到大气温湿度并存储在内部工控机，同时可以通过有线或无线的通信方式传输给上位机或云平台进行数据产品的展示。

综上，借助于本发明的上述技术方案，本发明提出的光机单元1紧密结合成一体，大大降低尺寸和重量，在高低温和振动环境下的光机系统稳定性更高，环境适应性更强，同时接收光路中的后继光路单元2与望远镜106通过一根光纤108连接，大大降低空间光装调的难度，也使得结构设计更具灵活性和稳定性，可以更好的进行系统布局，提高空间利用率，减小产品尺寸和重量，进一步提升系统稳定性。本发明提出的连接光纤规格可灵活选配且方便更换，以便匹配激光发散角和望远镜106接收视场角，提升系统性能，同时后继光路单元2中的PMT207的环控设计，通过控制PMT207的工作环境使其运行稳定、可靠且一致，使系统稳定性得到保证和提升，且后继光路单元2每路增加衰减片，衰减倍率可调，进而能够根据不同信号通道的需要控制和降低背景噪声，真正实现全天候、不同季节不同时段的有效观测。本发明将壳体401隔离成两个空间，一个电控室，一个光机室，降低电控热源对光机单元1的影响，通过将一个空调402的出风分送到两个腔室进行系统环控，保证光机系统的环境稳定性，以及电控部分的散热，通过合理的系统布局缩小体积和重量，提高系统运行稳定性和可靠性。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，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发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。