[發明專利]一種移動式區域顆粒物立體分布遙測系統

有效

• 申請號: 201610027273.4
• 申請日: 2016-01-18
• 公開（公告）號: CN105572686B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 范廣強;劉洋;張天舒;呂立慧;付毅賓;董云升;趙雪松;陸亦懷;劉建國;劉文清
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01S17/88
• 分類號: G01S17/88;G01S17/95
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

技術領域

本發明涉及一種光學遙測系統，具體涉及一種移動式區域顆粒物立體分布遙測系統。

背景技術

隨著我國大規模工業的發展，形成了區域化的城市群，如京津冀城市群、長江三角洲城市群、珠江三角洲城市群，在城市群帶來經濟繁榮的同時，灰霾污染事件頻發，并且呈現出復合型和區域化的污染特征。灰霾的生成、發展、擴散、下沉、消散等過程是在整個邊界層內發生的，因此，采用一種高時間分辨率和高空間分辨率的移動式定量探測技術對城市灰霾污染進行測量和光學-微物理特征參數分析對灰霾研究具有格外重要的意義。

激光雷達技術具有高時空分辨率、原位測量、實時監測等優點，已經成為研究灰霾問題的強有力工具。單個站點的激光雷達雖然也能測量一個地點的顆粒物垂直分布特征和時間分布特征，但是無法反映顆粒物的區域分布特征，無法對顆粒物的來源進行準確定位，無法實現對顆粒物擴散路徑進行有效追蹤，不能實現城市跨界輸送通量和閉環通量的估算。國內雖然也研制出相應的車載激光雷達系統，但通常是將車載激光雷達系統固定測量，限于車載供電系統，車載激光雷達系統結構抗震性和快速移動造成信號信噪比低等因素的影響，沒有實現車載激光雷達系統的移動式觀測，沒有真正實現區域顆粒物時空分布的移動立體監測。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種移動式區域顆粒物立體分布遙測系統，實現對顆粒物區域立體分布的快速移動監測，實現對顆粒物來源、擴散路徑的有效追蹤，估算城市跨界輸送通量和閉環通量。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種移動式區域顆粒物立體分布遙測系統，包括車載供電單元、激光發射單元、光學接收單元、信號采集與控制單元和GPS跟蹤定位單元；所述車載供電單元包括供電電池組、UPS電源；所述的激光發射單元包括高頻激光器、消色差擴束鏡、三組反射鏡，三組反射鏡分別包括第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡，高頻激光器、消色差擴束鏡、第一反射鏡緊鎖在一塊光學平板上，光學平板水平固定在系統框架上；所述后繼光學接收單元包括接收望遠鏡、小孔光闌、消色差透鏡、直角棱鏡、355nm反射鏡、尼克爾棱鏡、532nm反射鏡、以及用于三路回波信號濾波的窄帶濾光片和用于三路回波信號光電轉換的光電倍增管；所述信號采集與控制單元包括前置放大器、數據采集卡、工控機，所述數據采集卡采用PCI接口，放置于工控機內部；所述GPS跟蹤定位單元通過數據線與工控機連接，用于跟蹤記錄每個測量點的經緯度，并實時記錄當前車移動的速度。

由工控機通過串口發送命令控制高頻激光器出光，激光經消色差擴束鏡擴束后經第一片反射鏡反射后由水平狀態轉為垂直發射到空中，第二片反射鏡和第三片反射鏡將激光束由離軸形式轉變為激光雷達的同軸結構，激光束穿透密封鏡窗垂直射向大氣中，激光束與大氣氣溶膠、云、氣體分子相互作用后產生的后向散射光由接收望遠鏡接收后，匯聚于小孔光闌內，被凸面鏡準直后并經過直角棱鏡后的355nm回波信號經過355nm反射鏡反射后經由窄帶濾光片濾除白噪聲的干擾到達光電倍增管轉換為電流信號，532nm回波信號透過355nm反射鏡并通過尼克爾棱鏡分為兩束線偏振光經窄帶濾光片后分別被相應的光電倍增管接收并轉換為電流信號，三路電流信號經前置放大器放大并轉換為電壓信號被數據采集卡采集，并由工控機進行數據的顯示和存儲。工控機解析獲得顆粒物垂直分布信息，GPS跟蹤定位單元獲得每個測量點上的經緯度信息，工控機將測量點上的顆粒物光學參數與經緯度信息疊加獲取顆粒物的區域立體分布信息。在結束測量時，工控機控制關閉高頻激光器輸出，依次關閉放大器、UPS電源、供電電池組。在系統連續測量過程中，工控機通過UPS電源不間斷監測供電電池組的輸入狀態，若供電電池組的保持正常供電，則系統循環工作；若供電電池組的輸入狀態出現異常，為了防備供電電池組的輸入狀態只是短暫的異常，或者只是供電電池組的電壓波動造成的，因此，在檢查發現供電電池組供電狀態異常的情況下，等待1～2分鐘后再次檢查供電電池組供電狀態是否正常，若供電電池組輸入狀態正常，則系統繼續循環工作，若供電電池組供電狀態仍然異常，則關閉高頻激光器，并預設3-5分鐘后關閉UPS電源，在關閉高頻激光器后，關閉工控機，UPS電源會在3-5分鐘后關閉。

其中，UPS電源采用在線式架構、正弦波輸出，UPS電源可以解決市電高壓、市電低壓、電壓瞬態跌落、電壓波動、浪涌電壓電源問題，在斷電情況下，能維持5～10分鐘的正常輸出，提供RS-232串口，通過S-232串口對UPS電源控制。