一种基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统，包括CCD和至少两块并排放置的柱面镜，多块柱面镜对应的穿过其焦点的轴线与水平面的夹角依次递增或依次递减，多块柱面镜的焦线同时位于CCD探测面上；CCD和多块柱面镜分别固定在与其对应的角度调节机构上。本发明专利技术激光雷达探测系统采用多块以不同角度并排放置的柱面镜同时接收不同高度段的大气气溶胶信息，由多块柱面镜代替传统的单个镜头，CCD可探测到代表多个高度段的多条并排光束，从而实现在保证探测高度范围的前提下提高探测的空间分辨率，同时避免底层和高层由于鱼眼镜头畸变造成的精度降低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统
本专利技术涉及一种气溶胶激光雷达探测系统，尤其涉及一种基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统。
技术介绍
大气气溶胶是一种悬浮在空气中的固态或者液态小粒子，主要有扬尘、烟雾、花粉、火山灰等。根据粒径大小可分为总悬浮颗粒物(TSP)、直径小于10μm的可吸入颗粒物(PM10)和直径小于2.5μm的细颗粒物(PM2.5)。大气气溶胶不仅干扰太阳对地面的辐射从而影响气候系统，而且气溶胶中诸多有害物质会影响人们的生活和健康，对大气气溶胶的探测研究已成为大气科学和环境科学领域的重要热点之一(石广玉等，大气气溶胶的辐射与气候效应，大气科学，2008，32(4)：826～840)。气溶胶探测的方法有很多，如米散射激光雷达(如MicroPulseLiDAR)、太阳光度计(如MICROTOPSIISunphotometer)、CCD侧向探测激光雷达(JohnE.Barnes，et.al.Boundarylayerscatteringmeasurementswithacharge-coupleddevicecameralidar，AppliedOptics，2003，42(15)：2647-2652；麻晓敏等，侧向散射激光雷达探测白天近地面气溶胶探测技术，光学学报，2018，38(4)：0401005-1～8等)。米散射激光雷达探测特点是探测高度高，但大功率脉冲激光器、光学接收望远镜等均比较昂贵，而且诸多精密光学元件维护和使用需要专业人员操作；太阳光度计利用太阳光不同光谱波段辐射强度反演计算得到气溶胶系数，其不足之处是必须依赖太阳，因此夜间无法测量；CCD侧向探测激光雷达利用单镜头和CCD作为主要的接收装置实现对大气气溶胶探测，通常采用广角镜头以提高探测高度范围，但同时会使空间分辨率降低。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的在于提供一种探测高度范围大的同时探测空间分辨率高的基于CCD侧向探测的激光雷达探测系统。技术方案：本专利技术所述的基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统，包括CCD和至少两块并排放置的柱面镜，多块柱面镜对应的穿过其焦点的轴线与水平面的夹角依次递增或依次递减，多块柱面镜的焦线同时位于CCD探测面上；CCD和多块柱面镜分别固定在与其对应的角度调节机构上。其中，所述柱面镜的上下两面均镀有增透膜。其中，还包括控制装置、分别通过电缆与控制装置连接激光器和平移台、第一反射镜、倍频器以及第二反射镜；所述CCD也通过电缆与控制装置连接；所述第一反射镜固定在平移台上，第一反射镜的放置角度与激光器输出光轴成45°夹角；所述倍频器的输入端口与激光器输出光轴同轴，所述第二反射镜固定在倍频器输出端后方，第二反射镜的放置角度与倍频器的输出光轴成45°夹角。其中，所述角度调节机构包括对称设置的支撑杆以及与支撑杆通过转轴转动连接的安装架，柱面镜的侧边或CCD壳体固定在安装架内，当安装架相对支撑杆转动到对应位置，通过螺栓将安装架和支撑杆固定。其中，所述平移台包括传动滑块、固定在传动滑块上的放置平台以及驱动传动滑块横向移动的传动机构，所述传动机构包括铺设在光学平台上的支撑板，支撑板上铺设有X轴向延伸的导轨；还包括固定在光学平台上的传动电机以及与传动电机输出轴固定连接的传动螺杆；传动滑块带螺纹孔，传动滑块套设在传动螺杆上；传动滑块与导轨相互配合连接；传动螺杆的两个端部分别通过轴承固定在导轨上；第一反射镜放置在放置平台上。其中，还包括固定在支撑板侧边的限位传感器，限位传感器和电机均与控制装置连接。有益效果：相比于现有技术，本专利技术的显著效果为：首先，本专利技术激光雷达探测系统采用多块以不同角度并排放置的柱面镜同时接收不同高度段大气气溶胶信息，由多块柱面镜代替传统的单个镜头，CCD可探测到代表多个高度段的多条并排光束，从而实现在保证探测高度范围的前提下提高探测的空间分辨率，同时避免底层和高层由于鱼眼镜头畸变造成的精度降低；其次，本专利技术激光雷达探测系统利用一台面阵CCD同时接收不同高度层段大气气溶胶回波光信号，由于仅采用一台CCD设备，因此CCD本底噪声一致，可避免不同CCD本底噪声误差导致的数据处理困难以及误差增大；最后，本专利技术激光雷达探测系统使用的激光器可以是连续光或者脉冲光，不受激光器种类限制，因此有效降低了系统成本，为大气气溶胶探测提供有效方案，有利于大气气溶胶探测的推广应用。附图说明图1是本专利技术激光雷达探测系统的系统原理图；图2为本专利技术激光雷达探测系统进行基频光探测时的结构原理图；图3为本专利技术激光雷达探测系统在三块柱面镜不改变放置角度时进行倍频光探测时的结构原理图；图4为本专利技术安装三块柱面镜的角度调节机构的排布方式的侧视图；图5为本专利技术安装三块柱面镜的角度调节机构的排布方式的主视图；图6为三块柱面镜并排设置的结构示意图；图7为平移台的结构原理图；图8为传动滑块的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步阐述。如图1～8所示，本专利技术基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统，包括CCD10和三块沿水平向并排放置的柱面镜(7，8，9)，三块柱面镜(7，8，9)对应的穿过其焦点的轴线与水平面的夹角依次递增或依次递减(角度a大于角度b大于角度c)，三块柱面镜(7，8，9)的焦线同时位于CCD探测面10上；CCD10和三块柱面镜(7，8，9)分别固定在与其对应的角度调节机构11上。本专利技术系统先将三块柱面镜(7，8，9)的聚光面相对于水平面的角度调节好，然后再通过CCD10的角度调节机构来使三块柱面镜(7，8，9)的焦平面均位于CCD探测面10上。本专利技术激光雷达探测系统采用三块以不同角度并排放置的柱面镜(7，8，9)同时接收低、中、高三段大气气溶胶信息，CCD10可探测到代表三个高度段的三条并排光束。每块柱面镜(7，8，9)的上下两面可以镀增透膜，增大光的透光率。本专利技术所选的增透膜可以是市售产品，也可以是自制的SiO2增透膜。自制的SiO2增透膜由如下方法制备而成：步骤1，将摩尔比为1∶4∶38∶0.2∶0.5的Si(六甲基二硅胺烷(HMDS)和正硅酸乙酯(TEOS)中的Si总量，其中，HMDS/TEOS＝0.1)、去离子水、无水乙醇、NH3以及聚酰胺酰亚胺混合，搅拌均匀后在稳定环境下静置20天左右，得到碱催化的SiO2溶胶；SiO2溶胶的质量百分浓度为3％，在镀膜前，用无水乙醇将溶胶稀释一倍；上述反应体系中，氨水为催化剂、正硅酸乙酯为SiO2前驱体、无水乙醇为溶剂、六甲基二硅胺烷为有机修饰剂，薄膜中，二氧化硅颗粒之间被聚酰胺酰亚胺高分子链支撑开来，使得薄膜具有很多的微孔，从而拥有很大的孔隙率，从而薄膜折射率大大降低，虽然孔隙率较高，但是由于颗粒之间为高分子链所连接(二氧化硅颗粒和聚酰胺酰亚胺之间存在强烈的作用，这种作用使二氧化硅颗粒连接于聚酰胺酰亚胺分子链上)，这使薄膜机械性能得到很大提高；聚酰胺酰亚胺中酰亚胺基团有助提高薄膜的力学性质本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统，其特征在于：包括CCD和至少两块并排放置的柱面镜，多块柱面镜对应的穿过其焦点的轴线与水平面的夹角依次递增或依次递减，多块柱面镜的焦线同时位于CCD探测面上；CCD和多块柱面镜分别固定在与其对应的角度调节机构上。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统，其特征在于：包括CCD和至少两块并排放置的柱面镜，多块柱面镜对应的穿过其焦点的轴线与水平面的夹角依次递增或依次递减，多块柱面镜的焦线同时位于CCD探测面上；CCD和多块柱面镜分别固定在与其对应的角度调节机构上。


2.根据权利要求1所述的基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统，其特征在于：所述柱面镜的上下两面均镀有增透膜。


3.根据权利要求1所述的基于CCD侧向探测的气溶胶激光雷达系统，其特征在于：还包括控制装置、分别通过电缆与控制装置连接激光器和平移台、第一反射镜、倍频器以及第二反射镜；所述CCD也通过电缆与控制装置连接；所述第一反射镜固定在平移台上，第一反射镜的放置角度与激光器输出光轴成45°夹角；所述倍频器的输入端口与激光器输出光轴同轴，所述第二反射镜固定在倍频器输出端后方，第二反射镜的放置角度与倍频器的输出光轴成45°夹角。


4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏媛，张磊，李亚娟，李冲，
申请(专利权)人：南京晓庄学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32