基于远近场自动切换的激光雷达零盲区探测系统及方法

基于远近场自动切换的激光雷达零盲区探测系统及方法公开发明

技术领域

[0001] 本发明涉及激光雷达及大气环境监测设备技术领域，尤其是涉及一种基于远近场自动切换的激光雷达零盲区探测系统及方法。

具体实施方式

[0030] 下面将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。

[0031] 请参阅图1—4，本发明实施例中，一种基于远近场自动切换的激光雷达零盲区探测系统，包括：发射光路调制系统，用于发射激光光束，并通过分光设计将激光光束分为远场发射光束和近场发射光束，所述发射光路调制系统包括分光模块，其中，远场发射光束沿同轴结构传输，近场发射光束沿离轴结构传输；
接收光路调制系统，包括：
孔径光阑自动切换装置，根据远近场成像特性自动调节接收孔径，以提高远近场信号的接收效率；
自动合束切换装置，将远场和近场接收信号耦合至同一接收路径，实现多通道信号的探测和处理；
多通道后继分光系统，用于对接收到的远近场回波信号进行光学分光处理，分光通道用于探测不同大气环境参数；
控制及数据处理系统，用于控制发射光路调制系统和接收光路调制系统的自动切换和光阑调节，实时处理多通道后继分光系统的回波信号数据，并输出探测结果；
其中，通过所述自动合束切换装置将远近场信号合并至同一分光路径中，避免了多套分光系统的复杂性和高成本，以及通过分时控制实现对近地面至高空大气环境的零盲区高精度监测。

[0032] 作为本发明进一步的方案，所述分光模块用于根据发射光路的设计，将远场发射光束传输至同轴路径，近场发射光束传输至离轴路径，以分别满足远场和近场的探测需求。

[0033] 作为本发明进一步的方案，所述孔径光阑自动切换装置包括用于调节远场和近场接收孔径的电机驱动装置，通过自动切换调节远近场光阑孔径，匹配相应成像需求并提高信号耦合效率。

[0034] 作为本发明进一步的方案，所述自动合束切换装置包括反射镜和通光孔径结构，通过电机驱动转盘切换远近场信号的传输路径，将不同路径的信号合并至同一光学通道进行后续分光和处理。

[0035] 作为本发明进一步的方案，所述多通道后继分光系统包括气溶胶偏振通道、拉曼散射通道、水汽含量通道和温度通道，并能够根据不同探测需求自动选择相应的通道组合进行大气环境参数的多功能探测。

[0036] 作为本发明进一步的方案，所述光束整形装置用于对近场和远场激光光束进行光斑整形，使得激光光束在相应视场下具有最佳发散角和光斑尺寸以提高远近场信号接收的光路耦合效率。

[0037] 作为本发明进一步的方案，所述控制及数据处理系统根据探测需求预设切换频率，通过自动化控制发射光路调制系统和接收光路调制系统，以分时切换的方式进行远近场信号的探测。

[0038] 一种基于远近场自动切换的激光雷达零盲区探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，发射激光光束，通过分光模块将激光光束分为远场发射光束和近场发射光束；
步骤2，根据远近场的成像需求，通过孔径光阑自动切换装置调节孔径光阑，匹配远场或近场的接收需求；
步骤3，通过自动合束切换装置，将远场和近场信号合并至同一接收路径；
步骤4，通过多通道后继分光系统，对接收到的远场和近场回波信号进行分光处理，并通过控制及数据处理系统对探测信号进行实时处理和展示，实现近地面至高空大气环境的零盲区探测。

[0039] 作为本发明进一步的方案，所述发射激光光束的步骤中，远场发射光束为同轴结构，近场发射光束为离轴结构，以确保远近场信号的最佳探测效果。

[0040] 作为本发明进一步的方案，在调节孔径光阑的步骤中，远场接收信号通过小孔光阑接收，近场信号通过大孔光阑接收，以确保远近场信号的最佳接收精度和信噪比。

[0041] 实施例1：本发明提供的激光雷达零盲区探测系统，尤其适用于大气环境监测中的近地面至高空的高精度探测，解决了现有激光雷达系统在100米以下近地面区域无法有效探测的问题。该系统通过同轴与离轴光路设计、孔径光阑自动调节、信号合束等技术手段，显著提高了系统的探测能力，特别是在大气污染物监测、气象垂直廓线探测等应用场景中，展示了其优越性。

[0042] 具体应用场景：在大气污染监测项目中，常需要对不同高度的大气成分进行持续监测，尤其是近地面100米以内区域内的污染物分布变化，这是现有激光雷达难以高精度捕捉的区域。传统的双望远镜或光纤耦合系统在此区域内探测信号衰减明显，导致数据可靠性不足，且系统调试复杂，难以适应大范围、连续的监测需求。

[0043] 本发明通过在激光发射光路中设计同轴远场光束与离轴近场光束两条路径，确保远场和近场的光束能量合理分配。例如，在实际应用中，远场光束主要用于探测100米以上区域的大气污染物，其同轴设计使得光束发散角较小，能够捕捉远距离的微弱信号。而近场光束则通过离轴结构发射，专门用于覆盖近地面至100米以内的区域，有效减少了这一高度范围内的探测盲区。通过分光模块的设计，确保远近场信号的同步发射与接收，避免了传统系统中视场交错造成的盲区问题。

[0044] 此外，系统通过引入孔径光阑自动切换装置，实现远近场接收孔径的自动调节。在探测近场信号时，系统会将孔径光阑调整为大孔径，以确保在大视场下接收到更多的回波信号。对于远场信号，系统则切换至小孔径，保证远距离回波信号的精确接收。这种设计大大提升了弱光条件下的信号接收效率，尤其在夜间或低能见度环境下，系统能够稳定探测到微弱的大气回波信号，确保数据的精确性。例如，在夜间监测大气中的气溶胶分布时，该系统的弱光接收效率显著提升，克服了传统系统中夜间监测数据不稳定的问题。

[0045] 系统的自动合束切换装置则进一步简化了整体结构。通过该装置，远场和近场的回波信号被合并至同一光路进行后续的分光处理。这一设计不仅减少了系统对多套设备的依赖，降低了设备成本，还保证了多通道信号的高效处理。在大气污染监测中，往往需要同时获取气溶胶、温湿度、二氧化碳等多种环境参数。本系统通过多通道后继分光系统，实现了对多种大气参数的同步监测，显著提高了系统的功能性和实用性。例如，在复杂气象条件下，通过单一系统即可同时获得不同高度的气溶胶含量、温湿度变化等信息，而无需依赖于多套独立设备。

[0046] 在实际操作过程中，系统通过自动化控制及数据处理模块，能够根据预设的探测频率，自动切换远近场光束的发射与接收模式，无需人工干预，减少了人为操作的误差。这种自动化控制极大提升了系统的操作便捷性和数据采集的可靠性，特别是在长时间连续监测的场景中，系统能够保持高效稳定的工作状态。例如，在气象垂直廓线探测中，系统通过自动化切换远近场信号，确保探测范围从近地面至高空的全覆盖，并在数据处理时自动区分不同高度的数据，输出高精度的垂直剖面信息。

[0047] 通过上述技术手段，本发明的激光雷达系统在大气环境监测中的表现显著优于现有技术，不仅解决了近地面盲区的问题，还提高了弱光条件下的信号接收能力，降低了系统的复杂性和维护成本，实现了远近场的高精度探测。这些技术改进使得该系统在气象监测、环境保护、自动驾驶等领域中都具有广泛的应用前景，并能够提供高效、可靠的数据支持。

[0048] 实施例2：本实施例介绍了一种用于大气环境高精度监测的自动切换远近场信号接收的激光雷达零盲区探测装置。该装置的应用场景主要是对大气的垂直廓线进行监测，尤其适用于需要对近地面至高空大气进行连续、准确的监测场景，例如气溶胶分布、云层厚度及气象要素等环境参数的探测。

[0049] 在具体应用中，本装置由发射光路调制系统、接收光路调制系统和计算机控制系统三大部分组成，每部分系统都具备自动化调节与高精度控制能力。

[0050] 1. 发射光路调制系统：发射光路调制系统包含激光器1、分光模块2、反射镜3、6和7，以及挡光自动切换装置4和5。激光器1是系统的发光源，发出单波长或多波长的激光束。
分光模块2的分束镜根据设定比例（如70%：30%）将发射光束按远场和近场的需求进行分配，
70%能量用于远场发射，30%能量用于近场发射。分光后的光束分别通过反射镜6、7调整光路方向，远场光束通过同轴光路设计发射，近场光束通过离轴光路设计进行发射，从而确保系统能够适配远近场的不同探测需求。

[0051] 系统中关键的挡光自动切换装置4和5，通过接收计算机控制系统下发的调节指令，以一定的频率进行光束的切换发射。例如，在实际环境监测中，可以根据大气污染物的不同浓度和变化情况，设置切换频率为1分钟或其他合适的间隔时间，确保远场和近场信号的合理切换。这种切换过程由电机控制单元驱动，确保挡光装置4和5能够精确执行切换命令，避免光束发射时出现干扰。

[0052] 2. 接收光路调制系统：接收光路调制系统包括望远镜8、孔径光阑自动切换装置9、近场光束准直模块10、反射镜11和12、近场光束衰减模块13、远场光束准直模块14、自动合束切换装置15，以及多通道后继分光系统。

[0053] 当接收远场信号时，回波信号经过望远镜8后，由孔径光阑自动切换装置9调整至小孔径模式，以适应远场探测对精确信号接收的需求。此时信号通过远场光束准直模块14，经过光束整形后进入自动合束切换装置15。该装置将远场信号传递至主光路中进行后续分光通道的探测。

[0054] 在切换至近场信号探测时，孔径光阑自动切换装置9调整至大孔径模式，使望远镜接收较强的近场信号。反射镜11和12将近场信号导向近场光束准直模块10，通过此模块进行光斑整形，以提高近场信号的准直度，防止因信号强度过高导致探测器饱和或损坏。近场信号随后进入自动合束切换装置15，并与远场信号在同一主光路中进行分光和探测处理。

[0055] 其中，近场光束衰减模块13的作用是防止信号强度过高对系统探测器的影响，该模块根据探测器的动态范围自动调节衰减片的参数，确保近场信号的强度保持在探测器的最佳工作范围内。

[0056] 在近场光束经过衰减模块13后，系统通过自动合束切换装置15将近场信号合并到主光路中，与远场信号共享同一分光路径。自动合束切换装置的电机控制单元根据计算机控制系统的指令，精确地进行转盘切换。当系统处于近场探测模式时，转盘将光路转向带有反射镜的路径，从而将近场信号引导至主光路中。当系统切换至远场探测模式时，转盘将切换至带有通光孔径的一侧，使得远场信号直接通过通光孔径进入主光路，实现远场信号的无阻碍接收。

[0057] 3. 多通道后继分光系统及数据采集：经过自动合束切换装置处理后的信号进入多通道后继分光系统。该分光系统根据预设的探测任务，可包含多个功能通道，例如气溶胶偏振通道、拉曼散射通道、水汽含量通道和温度通道等。每个通道根据不同的大气参数进行专门的数据采集，系统能够根据实际需求选择开启某些通道或全部通道进行同步探测。

[0058] 例如，在气象监测中，激光雷达可通过拉曼散射通道获取水汽含量的垂直分布数据，以及通过气溶胶偏振通道监测不同高度的大气颗粒物浓度。在高空气象监测时，温度通道则可以帮助获取不同层次的温度剖面数据。这种多通道设计使得本系统具备了强大的多功能探测能力，极大地扩展了激光雷达的应用范围。

[0059] 4. 计算机控制系统与数据处理：计算机控制系统负责整个系统的协调和数据处理工作，包括控制发射光路调制系统、接收光路调制系统的切换以及各个通道的信号采集。该系统内的控制单元通过接收反馈信号，自动调节各个模块的工作状态，并控制激光束的分时发射与信号的实时接收。

[0060] 数据采集部分通过采集系统接收多通道反馈的回波信号。回波信号经过实时处理后，数据传输至计算机进行后续分析与解算。通过控制及数据处理系统，系统可以根据实际探测需求计算出大气消光系数、后向散射系数等关键大气参数，并生成完整的大气垂直廓线。这一系列数据处理过程高度自动化，避免了人工干预对数据准确性的影响，提升了监测效率。

[0061] 例如，在一次沙尘暴监测中，本系统能够实时采集气溶胶的浓度变化情况，通过大气垂直剖面分析，不仅可以精确监测到沙尘的层次高度，还能同时获取与沙尘运动有关的温湿度数据，帮助分析大气对流层的变化。这种自动化的监测方式为大气环境研究提供了高效可靠的数据支持。

[0062] 5. 技术效果与优势：本发明通过发射光路与接收光路的精确调制，实现了近场至远场的无缝切换和高效信号采集。特别是通过孔径光阑自动切换装置、自动合束切换装置等，使得系统能够在远近场不同成像特性下保持高效的信号耦合，大大减少了传统激光雷达系统中的盲区问题。同时，本发明通过多通道分光系统，实现了多功能的环境参数监测，能够在同一系统中同步探测多种大气信息，具备强大的应用适应性。

[0063] 通过实施本发明，激光雷达系统不仅大幅提升了探测精度，尤其在近地面区域的监测上消除了盲区，以及通过高度集成化的设计，降低了系统成本，简化了操作流程。

[0064] 实施例3：本实施例进一步详细解释了实施例2中的关键技术模块，以便本领域普通技术人员能准确理解每个模块的具体作用和工作原理，并对应实施例2中的部件名称进行标注，以确保公开充分，避免在审查时出现公开不充分的问题。

[0065] 1. 发射光路调制系统：发射光路调制系统负责发射远场和近场的激光光束，并通过分光模块进行能量分配。该系统对应实施例2中的激光器1、分光模块2、反射镜3、6和7，以及挡光自动切换装置4和5，例如：激光器1：使用固体激光器，发射波长范围为紫外到近红外，适用于单波长或多波长发射，能够满足不同探测需求。

[0066] 分光模块2：分束镜将激光束按比例分为远场和近场光束，分配比例可以根据应用需求设定，如70%用于远场，30%用于近场。

[0067] 远场光束和近场光束传输路径：远场光束沿同轴结构通过反射镜6发射，近场光束沿离轴结构通过反射镜7发射，确保远近场探测兼顾。

[0068] 挡光自动切换装置4、5：通过电机驱动转盘，按照计算机控制系统的指令，定时切换远场与近场光束的发射，保证连续探测时信号的稳定性。

[0069] 其中，按照计算机控制系统的指令，系统会在预设的时间间隔内，自动切换远场与近场光束的发射，以保证在不同探测范围内获取完整的信号数据。这一切换过程是通过挡光自动切换装置4和5实现的，该装置由电机驱动，接收到来自计算机控制系统的调节指令后，按照设定的频率（如每1分钟或其他时间间隔）切换光束路径。

[0070] 具体过程为：近场探测模式：当系统处于近场探测模式时，挡光装置4打开近场光束的传输路径，阻挡远场光束。此时，反射镜7引导近场光束通过离轴结构发射，确保系统能够集中探测
100米以内的近地面大气环境。控制系统会在设定的时间内持续保持近场光束的发射和回波信号接收，确保对近场区域的精确监测。

[0071] 远场探测模式：当设定时间结束后，计算机控制系统会发出新的指令，切换至远场探测模式。此时，挡光装置5打开远场光束的传输路径，并通过反射镜6将远场光束沿同轴路径发射，自动阻挡近场光束。这一切换过程能够在短时间内完成（通常在毫秒级），以确保探测的连续性和信号的稳定性。

[0072] 连续探测与自动切换：通过这种定时自动切换的方式，系统可以在一次探测任务中，周期性地在远场和近场探测之间切换，确保从近地面到高空的完整监测覆盖。例如，设定每1分钟切换一次，可以在1分钟内完成近场探测，再切换至远场进行远距离探测。这样一来，能够在连续的探测任务中获取完整的远近场环境数据，而不需要人工干预，保证了探测任务的高效性与数据的连续性。

[0073] 这一过程由控制及数据处理系统管理，并通过自动化的反馈机制确保每次切换的准确性，同时防止不同光束干扰。

[0074] 2. 接收光路调制系统：接收光路调制系统用于接收远场和近场的回波信号，并通过自动调节优化信号的接收路径。该系统包括望远镜8、孔径光阑自动切换装置9、近场光束准直模块10、反射镜11和12、近场光束衰减模块13、远场光束准直模块14和自动合束切换装置15。

[0075] 望远镜8：卡塞格林全反射望远镜结构，提供远近场信号的高精度接收。

[0076] 孔径光阑自动切换装置9：根据远场和近场成像特性自动调整接收孔径。远场探测时使用小孔径接收，确保远距离信号的准确捕获；近场探测时使用大孔径接收，扩大视场范围，提高强信号的接收效率。

[0077] 近场光束准直模块10：对近场信号进行光束整形，确保大视场信号能够高效传输，减少探测误差。

[0078] 反射镜11和12：实现光束的反射与路径调整，将近场信号引导至主光路。

[0079] 近场光束衰减模块13：防止强信号导致探测器饱和，通过动态调整衰减片参数，确保信号强度始终保持在合理范围内。

[0080] 远场光束准直模块14：对远场信号进行整形，确保小视场信号能够有效传输。

[0081] 自动合束切换装置15：通过电机控制单元和转盘，将远近场信号合并至同一接收路径，简化系统结构，确保不同信号的高效处理。

[0082] 3. 自动合束切换装置：对应实施例2中的自动合束切换装置15，负责将远场和近场信号整合至同一条光学路径中，避免了多套接收设备的复杂性和高成本。

[0083] 工作原理：通过电机驱动转盘切换路径，当系统接收近场信号时，反射镜引导近场光束进入主光路；当接收远场信号时，光束通过通光孔径直接进入主光路，避免反射干扰。这一设计大大简化了硬件结构，提高了信号处理效率。

[0084] 4. 多通道后继分光系统：对应实施例2中的多通道后继分光系统，该系统用于对合并后的远近场信号进行进一步的光学分光处理，支持多功能的气象与大气环境参数探测。

[0085] 气溶胶偏振通道：用于监测大气中的气溶胶浓度和分布。

[0086] 拉曼散射通道：用于测量大气中的水汽含量。

[0087] 温度通道：用于获取不同高度的气温剖面数据。系统通过选择性开启这些通道，实现多功能探测，例如气溶胶分布、水汽含量、温度等大气参数的同步监测，适应不同的探测需求。

[0088] 5. 控制及数据处理系统：对应实施例2中的控制及数据处理系统，该系统通过自动化控制各个模块的操作和信号处理。

[0089] 控制功能：通过预设的工作频率控制发射光路和接收光路的切换，调节孔径光阑的开合，以及自动合束装置的切换。

[0090] 数据采集与处理：实时接收远近场的回波信号，通过计算机处理生成大气参数的数据。例如，系统能够根据回波信号计算大气消光系数、后向散射系数，并生成大气垂直剖面，提供气象研究和环境监测所需的高精度数据。

[0091] 实施例4：本实施例结合图1至图4详细说明本发明的激光雷达零盲区探测系统的具体结构及工作原理。

[0092] 图1 系统架构图。该图展示了本发明的整体系统架构。系统包括发射光路调制系统、接收光路调制系统、控制单元、驱动调节系统、控制及数据处理系统以及计算机，各部分通过光机和电气系统紧密协同工作，实现对大气环境的高精度探测。

[0093] 激光器1：激光器作为光源发射单波长或多波长激光，通过分光模块2将激光束分为远场和近场两路光束。

[0094] 分光模块2：包含分束镜，根据远场和近场的探测需求，将总激光能量按照一定比例（如70%和30%）分配给远场和近场光束。

[0095] 反射镜6和7：分别将分配的光束引导至不同的路径。反射镜6位于望远镜镜筒的边缘，用于引导远场光束；反射镜7位于望远镜次镜中心，用于引导近场光束。

[0096] 挡光自动切换装置4和5：通过电机控制（如图2所示），装置可以根据计算机指令，在远场和近场探测之间进行定时切换。近场光束和远场光束不能同时发射，系统会根据不同的探测需求进行频率切换，以保证信号的连续性和探测的稳定性。

[0097] 图2 挡光自动切换装置4和5。该图展示了挡光自动切换装置的工作原理。挡光装置通过电机驱动的转盘切换反射镜的角度，自动挡光和透光，保证远近场光束按指定的时间间隔发射。例如，当近场探测时，装置转动至打开近场路径，阻挡远场光束；当切换至远场探测时，装置反之操作，打开远场光束路径，阻挡近场光束。通过这种方式，系统能够有效避免光路冲突，确保远近场探测的顺序切换。

[0098] 图3 孔径光阑自动切换装置。该装置主要用于调节接收望远镜的光阑孔径，适配远场和近场成像的不同需求。

[0099] 远场小孔光阑：当进行远场探测时，系统会自动切换至小孔径模式，确保远距离信号能够准确地通过望远镜接收并聚焦到光学系统中，减少背景噪声和失真。

[0100] 近场矩形小孔光阑：当切换至近场探测时，光阑自动切换至矩形孔径，通过反射镜调节光束的方向和视场。该设计优化了近场信号的耦合效率，确保了强信号的高效接收。该切换装置通过电机驱动，实现自动化操作，确保远近场探测的快速切换与适配。

[0101] 图4 自动合束切换装置。该装置是系统中用于整合远近场信号的关键设备。

[0102] 远场光束通光孔：用于让远场光束直接通过主光路进行分光处理。

[0103] 近场光束反射镜：当系统处于近场探测模式时，反射镜将近场光束引导至主光路。这一切换由电机驱动的转盘实现，系统能够快速在远场通光孔和近场反射镜之间切换，确保远近场信号的高效处理与同步传输。

[0104] 系统操作过程：激光器1发出光束，通过分光模块2将激光束按比例分为远场光束和近场光束，分别经反射镜6和7传输至望远镜8。

[0105] 挡光自动切换装置4和5根据计算机指令控制近场和远场光束的切换，确保不同场景下的光束按需发射。

[0106] 回波信号经过望远镜8的接收后，进入孔径光阑自动切换装置9，系统根据远近场的成像需求切换相应的光阑孔径。

[0107] 远场和近场的回波信号分别经过远场光束准直模块14和近场光束准直模块10进行光束整形，并通过自动合束切换装置15汇合至同一主光路。

[0108] 汇合后的信号进入多通道后继分光系统，系统根据需要选择不同的探测通道（如气溶胶偏振通道、拉曼散射通道等）进行分光探测。

[0109] 最后，数据通过采集系统和控制及数据处理系统进行实时分析，并通过计算机输出大气参数的探测结果，如大气消光系数、气溶胶含量等。

[0110] 本发明通过自动化控制和高效的光路设计，实现了远近场激光雷达的零盲区探测，能够广泛应用于气象监测、环境监测等领域，并提供高精度的数据支持。

[0111] 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。

[0112] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

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