具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种体积更小更加便携的基于成像原理的分立式大气激光雷达系统。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的实施例基于成像原理的分立式大气激光雷达系统包括：主机和接收机；接收机包括望远镜15，接收机可拆卸的固定于主机的一侧；主机包括发射装置、发射装置固定旋转板12和底板28，发射装置固定在发射装置固定旋转板12上，发射装置固定旋转板12与底板28旋转连接；发射装置用于发射激光，随着发射装置固定旋转板12的旋转，发射装置发射的激光与望远镜15视场的重叠区域发生变化；发射装置包括：激光器、反射镜和透镜8；激光器发射的激光束经反射镜反射后从透镜8射出，反射镜的入射的光路与反射镜射出的光路的夹角满足设定要求。

实施例1

如图1所述，激光器的数量为多个，各激光器发射不同波长的激光束；发射装置还包括分光片，各激光器发出的激光束经分光片合为一束照向反射镜；基于成像原理的分立式大气激光雷达系统还包括笼式立方体和笼式立方体固定座4。

具体的，笼式立方体包括第一笼式立方体2和第二笼式立方体20，第一笼式立方体2通过笼式立方体固定座4固定在发射装置固定旋转板12上；分光片包括第一分光片3和第二分光片16；第一分光片3与第一笼式立方体2侧面呈45度夹角同时与第一笼式立方体2底面垂直安装在第一笼式立方体2内；激光器为二极管激光器。激光器包括第一二极管激光器1和第二二极管激光器11，第一二极管激光器1和第二二极管激光器11分别设置在第一笼式立方体2的两侧并固定在发射装置固定旋转板12上。

进一步的，第一二极管激光器1和第二二极管激光器11发射不同波长的激光束，两束不同波长的激光束经第一笼式立方体2内的第一分光片3后被第一分光片3合成为一束激光束，所述一束激光束入射到反射镜，经反射镜反射后，所述一束激光光路折叠改变激光束的光路方向，被反射镜反射的激光束经过发射筒7射向透镜8，透过透镜8射向大气中。优选的反射镜为45°全反射镜6。

发射装置还包括发射筒7和可调装置，透镜8通过可调装置垂直设置在发射筒7内，可调装置用来调节透镜8与激光器之间的距离；发射装置还包括遮光筒，遮光筒用于对激光路径所经过的区域进行遮挡；发射装置安装在发射装置固定旋转板12上，将激光器、反射镜和透镜8安装后，反射镜中心直接对准透镜8光轴的中心；将透镜8调焦后，透镜8位置也固定；优选的，遮光筒为锥形遮光筒5。全反射镜6和锥形遮光筒5与发射筒7固定连接。

具体的，可调装置为透镜固定筒9，透镜8安放在透镜固定筒9内，透镜8通过将卡环利用螺纹旋入透镜固定筒9固定。在通过透镜8对激光光束准直时，透镜8与第一二极管激光器1和第二二极管激光器11之间的距离只需要通过旋转透镜固定筒9内的螺纹调节，避免了对第一二极管激光器1和第二二极管激光器11的位置进行调节，使得整个发射装置更为稳定。

进一步的，第一二极管激光器1和第二二极管激光器11与透镜8之间距离的调节，当发射到大气中的激光高度平行时，其判断标准为激光束可以在2km以上距离的建筑物上呈现清晰的激光光斑，则第一二极管激光器1和第二二极管激光器11与透镜8之间的距离调整完毕。

更进一步的，在发射装置进行安装固定的时候，第一二极管激光器1、第一笼式立方体2、全反射镜6和透镜8的位置关系满足：第一二极管激光器1的中心、第一笼式立方体2的中心、全反射镜6的中心位于一条直线，所述直线与第二二极管激光器11的中心和第一笼式立方体2的中心的连线垂直，同时所述直线与透镜8的光轴垂直，以上各个部分的中心在同一个平面上且与底板28平行。第一二极管激光器1、第二二极管激光器11、笼式立方体31、全反射镜6安装固定后，位置不可调整。透镜8与第一二极管激光器1和第二二极管激光器11之间的距离只需通过旋转透镜固定筒9内的螺纹调节，便可使得从第一二极管激光器1和第二二极管激光器11射出的激光束经过第一笼式立方体2中心、全反射镜6中心和透镜8中心准直后射出。

主机还包括旋转轴29，旋转轴29固定在底板28上，发射装置固定旋转板12与旋转轴旋转连接，发射装置固定旋转板12能围绕旋转轴29旋转。

具体的，将发射装置发射的激光束所经过的区域进行调节时，只需要发射装置固定旋转板12围绕旋转轴29旋转，调节完毕后，通过螺丝将发射装置固定旋转板12固定在底板28上，保证激光发射装置的结构稳定。

主机包括主控装置和驱动装置13，主控装置和驱动装置13安装在底板28上，主控装置分别与发射装置和接收装置控制连接，用于控制发射装置和接收装置协同工作完成数据采集和数据存储；驱动装置13分别与主控装置、发射装置和接收机连接，用于根据主控装置发出的控制信号输出驱动信号发送给发射装置和接收机。

主机还包括直流转压模块26和航空插座27，直流转压模块26用于将输入直流电转化为与工控机、驱动装置等相匹配的电压，航空插座27用于多个驱动电路同时接线供电。

接收机还包括多个相机和多个滤光片，相机和滤光片一一对应，相机的感光元件前设置有对应的滤光片，各滤光片能够通过的波段与各激光器发射的激光束波长相对应。

具体的，相机为面阵相机，包括第一面阵相机19和第二面阵相机23，滤光片为窄带滤光片，包括第一滤光片18和第二滤光片22。第一面阵相机19感光元件前设置第一滤光片18，第二面阵相机23感光元件前设置第二滤光片22。

主控装置主要由工控机25组成，通过串口通信控制激光器的工作电流和温度，通过数据连接线可以实现对相机采集的图像数据的传输与存储。

驱动装置13主要包括第一二极管激光器1和第二二极管激光器11的温度控制电路、电流驱动电路以及触发信号调制电路，所述电路固定在底板28上，温度控制电路分别用来控制第一二极管激光器1和第二二极管激光器11的工作温度，电流驱动电路分别用来控制第一二极管激光器1和第二二极管激光器11的输入电流，触发信号调制电路可将第一面阵相机19或第二面阵相机23输出的触发信号进行调制后输出。

进一步的，工控机25控制第一面阵相机19和第二面阵相机23开始图像采集后，第一面阵相机19的触发信号被触发信号调制电路进行调制后输入给电流驱动电路，驱动第一二极管激光器1和第二二极管激光器11实现同步“开关”强度调制。同时，第二面阵相机23通过工控机25控制程序与第一面阵相机19的触发信号匹配，从而实现第一面阵相机19和第二面阵相机23同步进行图像采集。

更进一步的，接收机还包括第一滤光片安装座17、第二滤光片安装座21、接收机固定架14、相机固定座24。望远镜15通过接收机固定架14与主机连接，望远镜15的调焦通过旋钮进行调节，第二笼式立方体20通过相机固定座24固定在接收机固定架14上，第二笼式立方体20的中心与望远镜15的光轴在一条直线上，第二分光片16安装在第二笼式立方体20内部，且第二分光片16中心线与望远镜15的光轴呈45度角，第一滤光片安装座17和第二滤光片安装座21分别安装在第二笼式立方体20的两侧，第一滤光片18安装在第一滤光片安装座17内部，第二滤光片22安装在第二滤光片安装座21内部，第一面阵相机19固定在第一滤光片安装座17一侧，第二面阵相机23固定在第二滤光片安装座21一侧。具体的，接收机通过挂载的方式固定在主机一侧；更具体的，接收机固定架14通过卡扣配合螺丝固定在主机上,安装方便且结构稳定。

由于发射装置安装在发射装置固定旋转板12上，将第一二极管激光器1、第二二极管激光器11、第一分光片3、全反射镜6和透镜8安装后，第一二极管激光器1、第一分光片3和全反射镜6的中心在一条直线上，所述直线与第二二极管激光器11的中心和第一笼式立方体2的中心的连线垂直，同时所述直线与透镜8的光轴垂直，以上各个部分的中心在同一个平面上且与底板28平行，全反射镜6中心直接对准透镜8光轴的中心，将透镜8调焦后，透镜8位置也固定，发射装置内的部件在发射装置固定旋转板12上的位置都固定，只需要对发射装置固定旋转板12进行旋转就可以实现发射装置发射的激光与望远镜15的视场重叠，不再对发射装置内的单个部件进行调节，从而实现了方便调节的目的。

面阵相机、望远镜15和激光发射装置满足如下任意一种位置关系：(1)面阵相机的传感器所在平面、激光接收装置等效透镜8所在平面和激光发射装置光轴三者相交，满足沙氏成像原理；(2)面阵相机的传感器所在平面平行放置于望远镜15的焦点处。在以上两种位置关系中，像素-距离关系都可以通过几何光学计算得出。

优选的，第一二极管激光器1的波长为450nm，第二二极管激光器11的波长为808nm；第一滤光片18的透射中心波长与第一二极管激光器1的工作波长一致；第二滤光片22的透射中心波长与第二二极管激光器11的工作波长一致。

优选的，面阵相机为前照式面阵相机、背照式面阵相机或偏振面阵相机。

优选的，发射装置内透镜8的中心和望远镜15的透镜8的中心距离不大于1米。

如图3所示，本实施例提供的基于成像原理的分立式大气激光雷达系统还包括外壳37，主机和接收机设置在外壳37内；外壳37上设置有窗口片38，激光束透过窗口片38射出；外壳37上还设置有主机帽檐10，主机帽檐10设置在窗口片38的上方，窗口片38和主机帽檐10用来实现激光发射窗口的遮光、防尘、防雨功能。

下面对本实施例提供的基于成像原理的分立式大气激光雷达系统的工作过程进行介绍。

系统像素-距离关系校准时，选取远距离的建筑物作为像素-距离关系校准点，将激光发射到选定的建筑物上，获取建筑物成像在面阵相机上像素点和已知的系统距离建筑物的距离，通过几何光学关系计算出每个像素与距离的一一对应关系；

系统大气测量时，第一二极管激光器和第二二极管激光器发射到大气中的两束不同波长的激光经过大气颗粒物的吸收和散射之后，激光束的后向散射光通过望远镜收集，经分光片分束，而后分别经过第一滤光片和第二滤光片滤除大气背景信号后，分别成像在第一面阵相机和第二面阵相机上，最后将图像数据传输至工控机中，通过对光束图像的背景扣除、纵向累加以及中值平均等可以获得像素-强度的激光雷达信号，通过像素-距离转换便可以获得两个波长的距离-强度的大气激光雷达信号。通过算法反演便可以获得大气气溶胶的消光系数、后向散射系数、颗粒物尺寸等粒子的光学或微物理特性。

第一二极管激光器和第二二极管激光器作为发射光源，第一面阵相机和第二面阵相机作为接收探测器，可以通过成像的方式实现粒子浓度、形态、尺寸的探测。

实施例2

如图2所述，激光器的数量为1个；发射装置还包括观测相机34和分光片32，激光器发出的激光束经分光片32射向反射镜。基于成像原理的分立式大气激光雷达系统还包括笼式立方体31和笼式立方体固定座4。

具体的，笼式立方体31通过笼式立方体固定座4固定在发射装置固定旋转板12上；分光片32与笼式立方体31侧面呈45度夹角同时与笼式立方体31底面垂直安装在笼式立方体31内；激光器为二极管激光器30；二极管激光器30设置在笼式立方体31的一侧并固定在发射装置固定旋转板12上；观测相机34设置在笼式立方体31的另一侧并固定在发射装置固定旋转板12上。

进一步的，二极管激光器30发射的激光束穿过笼式立方体31内的分光片32后入射到反射镜，经反射镜反射后，所述激光束光路被折叠改变激光束的光路方向，被反射镜反射的激光束经过发射筒7射向透镜8，透过透镜8射向大气中。优选的反射镜为45°全反射镜6。

发射装置还包括发射筒7和可调装置，透镜8通过可调装置垂直设置在发射筒7内，可调装置用来调节透镜8与激光器之间的距离。所述遮光筒5用于对激光路径所经过的区域进行遮挡；发射装置安装在发射装置固定旋转板12上，将激光器、反射镜和透镜8安装后，反射镜中心直接对准透镜8光轴的中心；将透镜8调焦后，透镜8位置也固定；优选的，遮光筒5为锥形遮光筒。全反射镜6和锥形遮光筒与发射筒7固定连接。

具体的，可调装置为透镜固定筒9，透镜8安放在透镜固定筒9内，透镜8通过将卡环利用螺纹旋入透镜固定筒9固定。在通过透镜8对激光光束准直时，透镜8与二极管激光器30之间的距离可通过旋转透镜固定筒9内的螺纹进行调节，避免了对二极管激光器30的位置进行调节，使得整个发射装置更为稳定。

进一步的，二极管激光器30与透镜8之间的距离的调节，当发射到大气中的激光高度平行时，其判断标准为激光束可以在2km以上距离的建筑物上呈现清晰的激光光斑，则二极管激光器30和观测相机34与透镜8之间的距离调整完毕。

更进一步的，在发射装置进行安装固定的时候，二极管激光器30、笼式立方体31、全反射镜6和透镜8的位置关系满足：二极管激光器30的中心、笼式立方体31的中心、全反射镜6的中心位于一条直线，所述直线与透镜8的光轴垂直，以上各个部分的中心在同一个平面上且与底板28平行。二极管激光器30、笼式立方体31、全反射镜6安装固定后，位置不可调整。透镜8与二极管激光器30之间的距离只需通过旋转透镜固定筒9内的螺纹调节，便可以使得二极管激光器30射出的激光束经过笼式立方体31中心、全反射镜6中心和透镜8中心准直后射出。

主机还包括旋转平台33，发射装置固定旋转板12通过旋转平台33安装在底板28上；旋转平台33分为上下两层且紧密连接，旋转平台33的下层直接固定在底板28上，旋转平台33上层固定着发射装置固定旋转板12，通过微调旋钮可以将旋转平台33上层旋转。

具体的，对发射装置发射的激光束所经过的区域进行调节时，只需要扭动微调旋钮，固定在旋转平台33上层的发射装置固定旋转板12就可以围绕旋转平台33中心旋转，调节完毕后，将多颗螺丝拧紧，可将旋转平台33上层以及固定在旋转平台33上层的发射装置固定旋转板12一起固定在旋转平台33下层，因为旋转平台33下层固定在底板28上，所以，发射装置固定旋转板12也固定在底板28上，保证激光发射装置的结构稳定。

主机包括主控装置和驱动装置13，主控装置和驱动装置13安装在底板28上，主控装置分别与发射装置和接收装置控制连接，用于控制发射装置和接收装置协同工作完成数据采集和数据存储；驱动装置13分别与主控装置、发射装置和接收机连接，用于根据主控装置发出的控制信号输出驱动信号发送给发射装置和接收机。

接收机还包括相机和滤光片，相机和滤光片一一对应，相机的感光元件前设置有对应的滤光片，滤光片允许通过的波段与激光器发射的激光束波长相对应。

具体的，相机为面阵相机36，滤光片为窄带滤光片35。面阵相机36感光元件前设置窄带滤光片35。

主控装置主要由工控机25组成，通过串口通信控制激光器的工作电流和温度，通过数据连接线可以实现对相机采集的图像数据的传输与存储。

驱动装置13主要包括二极管激光器30的温度控制电路、电流驱动电路以及触发信号调制电路，所述电路固定在底板28上，温度控制电路用来控制二极管激光器30的工作温度，电流驱动电路用来控制输入二极管激光器30的电流，触发信号调制电路可将输入面阵相机36的触发信号进行调制后输出。

进一步的，工控机25控制面阵相机36开始图像采集后，面阵相机36的触发信号被触发信号调制电路进行调制后输入给电流驱动电路，驱动二极管激光器30实现“开关”强度调制且与面阵相机36的触发信号同步。

更进一步的，接收机还包括接收机固定架14和相机固定座24。望远镜15通过接收机固定架14与主机连接，望远镜15的调焦通过旋钮进行调节，面阵相机36通过相机固定座24与望远镜15连接，窄带滤光片35安装在相机固定座24内部，相机固定座24固定在接收机固定架14上。具体的，接收机通过挂载的方式固定在主机一侧；更具体的，接收机固定架14通过卡扣配合螺丝固定在主机上,安装方便且结构稳定。

由于发射装置安装在发射装置固定旋转板12上，将二极管激光器30、分光片32、全反射镜6和透镜8安装后，二极管激光器30、分光片32和全反射镜6的中心在一条直线上，同时所述直线与透镜8的光轴垂直，以上各个部分的中心在同一个平面上且与底板28平行，全反射镜6中心直接对准透镜8光轴的中心，将透镜8调焦后，透镜8位置也固定，发射装置内的部件在发射装置固定旋转板12上的位置都固定，只需要对发射装置固定旋转板12进行旋转就可以实现发射装置发射的激光与望远镜15的视场重叠，不再对发射装置内的单个部件进行调节，从而实现了方便调节的目的。

面阵相机36、望远镜15和激光发射装置满足如下任意一种位置关系：(1)面阵相机36的传感器所在平面、激光接收装置等效透镜8所在平面和激光发射装置光轴三者相交，满足沙氏成像原理；(2)面阵相机36的传感器所在平面平行放置于望远镜15的焦点处。在以上两种位置关系中，像素-距离关系都可以通过几何光学计算得出。

可选的，二极管激光器30的波长为405nm、450nm、520nm或808nm；窄带滤光片35的透射中心波长与二极管激光器30的工作波长一致。

可选的，望远镜15为大焦比的望远镜，进一步的，望远镜15可以为马卡望远镜、施卡望远镜、牛反望远镜或折射式望远镜。

可选的，面阵相机36为高速面阵相机、工业面阵相机或偏振面阵相机。

如图3所示，基于成像原理的分立式大气激光雷达系统还包括外壳37，主机和接收机设置在外壳37内；外壳37上设置有窗口片38，激光束透过窗口片38射出；外壳37上还设置有主机帽檐10，主机帽檐10设置在窗口片38的上方，窗口片38和主机帽檐10用来实现激光发射窗口的遮光、防尘、防雨功能。

下面对本实施例提供的基于成像原理的分立式大气激光雷达系统的工作过程进行介绍。

系统调节时，将二极管激光器关闭，外界的散射光通过透镜收集，经过发射筒并由全反射镜反射进入遮光筒，最后通过笼式立方体内的分光片分光汇聚到观测相机的感光元件上；同时，外界的散射光通过接收机的望远镜收集，经过窄带滤光片滤除部分散射光，最后剩余部分的散射光会汇聚在面阵相机的感光元件上。通过微调旋钮调节旋转平台，可以精确调节发射装置的摆角，进而可以调节激光发射装置的视场，使得观测相机与面阵相机的观测视场保持一致。

系统像素-距离关系校准时，选取远距离的建筑物作为像素-距离关系校准点，将激光发射到选定的建筑物上，获取建筑物成像在面阵相机上像素点和已知的系统距离建筑物的距离，通过几何光学关系计算出每个像素与距离的一一对应关系；优选的，将激光束发射到一个2km以上的高建筑物上。

系统大气测量时，二极管激光器发射到大气中的激光经过大气气溶胶、气体分子吸收和散射之后，激光束的后向散射光通过望远镜收集，通过窄带滤光片滤除绝大部分太阳背景光，由面阵相机实现大气激光光束的探测并将图像数据传输至工控机中，通过工控机实现对光束图像的背景扣除、纵向累加以及中值平均等可以获得像素-强度的激光雷达信号，通过像素-距离转换便可以获得距离-强度的大气激光雷达信号。通过算法反演便可以获得大气气溶胶的消光系数、后向散射系数等粒子的光学或微物理特性。

本发明通过安装反射镜，使激光器发射的激光束经反射镜反射后从透镜准直后射出，反射镜的入射的光路与反射镜射出的光路具有夹角，实现了将激光器的光路折叠的效果，从而使系统的结构更加紧凑，同时系统采用主机挂载接收机的结构，方便接收机拆卸和更换，同时，由于激光器采用二极管激光器，二极管激光器体积小，实现了基于成像原理的分立式大气激光雷达系统体积更小，更加便携的目的；而且发射装置安装在发射装置固定旋转板上，将激光器、反射镜和透镜安装后，反射镜中心直接对准透镜光轴的中心，将透镜调焦后，透镜位置也固定，调整发射装置发射的激光与望远镜视场的重叠区域时，只需要对发射装置固定旋转板进行旋转不再对发射装置内的单个部件进行调节，从而实现了方便调节的目的；对大气气溶胶进行探测时，接收机只需要接收从发射装置发射的激光与望远镜视场的重叠区域的激光束的后向散射光就完成了对大气气溶胶的采样，进一步实现了采样简便的效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。