專利名稱：準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)裝置及其測(cè)量方法
準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)裝置及其測(cè)量方法 發(fā)明名稱 本發(fā)明具體涉及一種準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
多普勒激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)技術(shù)是一種新興技術(shù)，相比多普勒微波雷達(dá)它有著測(cè)量精度 高、時(shí)空分辨率高的優(yōu)勢(shì)。已有的多普勒激光雷達(dá)主要包括中央控制與數(shù)據(jù)處理單元、激光 器、光學(xué)掃描裝置、望遠(yuǎn)鏡、多普勒頻率移動(dòng)鑒別器以及信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理器，其中重要 且價(jià)格昂貴的是激光器、多普勒頻率移動(dòng)鑒別器和信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理器。風(fēng)場(chǎng)是具有三 個(gè)獨(dú)立分量的矢量，目前應(yīng)用一部多普勒激光雷達(dá)測(cè)量大氣風(fēng)場(chǎng)必須基于同一平面內(nèi)局部 風(fēng)場(chǎng)均勻的假設(shè)條件。但這個(gè)風(fēng)場(chǎng)均勻性的約束條件不總是成立的，這將導(dǎo)致測(cè)量出的風(fēng) 場(chǎng)與實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)不一致。故而出現(xiàn)了兩部乃至多部多普勒激光雷達(dá)聯(lián)合測(cè)量風(fēng)場(chǎng)。首先每 部多普勒激光雷達(dá)分別對(duì)同一區(qū)域測(cè)量，然后將同一點(diǎn)測(cè)量的速度矢量合成為實(shí)際風(fēng)速。 顯然，使用兩部或多部多普勒激光雷達(dá)測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的不但成本高昂，也大大限制其廣泛普及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，以彌補(bǔ)現(xiàn) 有技術(shù)的不足。 本發(fā)明是在已有的一部多普勒激光雷達(dá)的基礎(chǔ)上，專門設(shè)計(jì)一種光學(xué)收發(fā)裝置； 光學(xué)收發(fā)裝置協(xié)同多普勒激光雷達(dá)工作，在測(cè)量功能上實(shí)現(xiàn)兩部多普勒激光雷達(dá)測(cè)量目標(biāo) 區(qū)的風(fēng)場(chǎng)，達(dá)到測(cè)量精度高且成本低的目的。 本發(fā)明包括一部帶有光學(xué)掃描裝置的多普勒激光雷達(dá)，其特征在于它還包括受伺 服裝置控制的帶有轉(zhuǎn)鏡、水平轉(zhuǎn)鏡和垂直轉(zhuǎn)鏡的光學(xué)收發(fā)裝置；多普勒激光雷達(dá)和光學(xué)收 發(fā)裝置距離在1. 5千米到3千米范圍內(nèi)。伺服裝置和多普勒激光雷達(dá)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸指 令和狀態(tài)信息；其光學(xué)收發(fā)裝置的轉(zhuǎn)鏡將先接收來自多普勒激光雷達(dá)的探測(cè)光束、并反射 到水平轉(zhuǎn)鏡后經(jīng)由垂直轉(zhuǎn)鏡的中心發(fā)射到目標(biāo)區(qū)，目標(biāo)區(qū)的散射光信號(hào)憑借收發(fā)裝置的垂 直轉(zhuǎn)鏡，水平轉(zhuǎn)鏡和轉(zhuǎn)鏡返回到多普勒激光雷達(dá)的光學(xué)掃描裝置上；目標(biāo)區(qū)的散射光信號(hào) 憑借收發(fā)裝置的垂直轉(zhuǎn)鏡，水平轉(zhuǎn)鏡和轉(zhuǎn)鏡返回到多普勒激光雷達(dá)的光學(xué)掃描裝置上。
上述光學(xué)收發(fā)裝置包括殼體內(nèi)固定在傳動(dòng)軸上并受俯仰電機(jī)嚙合帶動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡，該 殼體下部固定的齒輪座落在底座上并與底座滑動(dòng)連接，該齒輪與固定在底座一側(cè)的方位電 機(jī)相嚙合而水平轉(zhuǎn)動(dòng)；承載體底部固定有底座和伺服裝置，承載體頂部承載著水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼 體；固定在承載體一側(cè)的方位步進(jìn)電機(jī)嚙合帶動(dòng)該殼體下方的圓環(huán)形方位齒輪，方位齒輪 底部和承載體滑動(dòng)連接；水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體左側(cè)的轉(zhuǎn)鏡座上固定有與水平面呈45度夾角的水 平轉(zhuǎn)鏡，該殼體右側(cè)底部的俯仰步進(jìn)電機(jī)和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體內(nèi)左側(cè)的俯仰齒輪嚙合；轉(zhuǎn)鏡中 心，水平轉(zhuǎn)鏡中心以及方位齒輪中心在同一直線上；水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體與垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體以滑環(huán) 滑動(dòng)連接，垂直轉(zhuǎn)鏡固定在垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體右側(cè)內(nèi)的垂直轉(zhuǎn)鏡座上；垂直轉(zhuǎn)鏡與該垂直轉(zhuǎn)鏡 和水平轉(zhuǎn)鏡的中心連線呈45度夾角。
本發(fā)明的測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的方法是首先利用多普勒激光雷達(dá)上的光學(xué)掃描裝置發(fā)射探測(cè)光束到目標(biāo)區(qū)并且獲取該目標(biāo)區(qū)各點(diǎn)的徑向風(fēng)矢量，然后多普勒激光雷達(dá)上的光學(xué)掃描裝置將該探測(cè)光束傳給光學(xué)收發(fā)裝置；光學(xué)收發(fā)裝置將接收到的探測(cè)光束經(jīng)由水平轉(zhuǎn)鏡與垂直轉(zhuǎn)鏡發(fā)送到目標(biāo)區(qū)域，并將目標(biāo)區(qū)散射的光學(xué)信號(hào)返回至多普勒激光雷達(dá)，以再次獲取該目標(biāo)區(qū)各點(diǎn)徑向風(fēng)矢量；最后目標(biāo)區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速由兩次測(cè)量的徑向風(fēng)矢量按照平行四邊形法則矢量合成得到。 本發(fā)明測(cè)量風(fēng)場(chǎng)利用了同一點(diǎn)的兩個(gè)不同方向的風(fēng)矢量來合成風(fēng)場(chǎng)，其測(cè)量結(jié)果比單部雷達(dá)在假設(shè)風(fēng)場(chǎng)均勻之條件下測(cè)量出的結(jié)果更接近于實(shí)際情況；并且本發(fā)明的成本顯著低于兩部多普勒激光雷達(dá)的測(cè)量裝置，測(cè)量方便，精度高。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的光學(xué)收發(fā)裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。 其中，1多普勒激光雷達(dá)，2光學(xué)掃描裝置，3光學(xué)收發(fā)裝置，4轉(zhuǎn)鏡，5傳動(dòng)軸，6水平轉(zhuǎn)鏡，7垂直轉(zhuǎn)鏡，8伺服裝置，9殼體，10齒輪，11底座，12方位電機(jī)，13俯仰電機(jī)，14承載體，15方位步進(jìn)電機(jī)，16方位齒輪，17轉(zhuǎn)鏡座，18水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體，19俯仰步進(jìn)電機(jī)，20滑環(huán)，21俯仰齒輪22，垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體，23垂直轉(zhuǎn)鏡座，24目標(biāo)區(qū)。實(shí)線箭頭表示激光探測(cè)光束的傳播方向，虛線箭頭表示目標(biāo)區(qū)散射光信號(hào)傳播方向。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明包括一部帶有光學(xué)掃描裝置2的負(fù)責(zé)發(fā)射激光與收集信號(hào)并計(jì)算出速度的多普勒激光雷達(dá)l，其特征在于它還包括受伺服裝置8控制的帶有轉(zhuǎn)鏡4、水平轉(zhuǎn)鏡6和垂直轉(zhuǎn)鏡7的光學(xué)收發(fā)裝置3，多普勒激光雷達(dá)1和光學(xué)收發(fā)裝置3距離在1. 5千米到3千米范圍，伺服裝置8通過無線網(wǎng)絡(luò)接收多普勒激光雷達(dá)1的指令來控制方位電機(jī)12，俯仰電機(jī)13，方位步進(jìn)電機(jī)15和俯仰步進(jìn)電機(jī)19，并將當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)信息反饋給多普勒激光雷達(dá)1 ;其光學(xué)收發(fā)裝置3的轉(zhuǎn)鏡將先接收來自多普勒激光雷達(dá)1的探測(cè)光束、并反射到水平轉(zhuǎn)鏡6后經(jīng)由垂直轉(zhuǎn)鏡7的對(duì)稱中心發(fā)射到目標(biāo)區(qū)24 ;目標(biāo)區(qū)24的散射光信號(hào)憑借收發(fā)裝置3的垂直轉(zhuǎn)鏡7，水平轉(zhuǎn)鏡6和轉(zhuǎn)鏡4返回到多普勒激光雷達(dá)1的光學(xué)掃描裝置2上。
上述光學(xué)收發(fā)裝置3包括殼體9內(nèi)固定在傳動(dòng)軸5上并受俯仰電機(jī)13嚙合帶動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡4，該殼體9下部固定的齒輪10座落在底座11上并與底座11滑動(dòng)連接，該齒輪10與固定在底座11 一側(cè)的方位電機(jī)12相嚙合而水平轉(zhuǎn)動(dòng)；承載體14底部固定有底座11和伺服裝置8，承載體14頂部承載著水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體18，固定在承載體14 一側(cè)的方位步進(jìn)電機(jī)15嚙合帶動(dòng)該殼體18下方的圓環(huán)形方位齒輪16，方位齒輪16底部和承載體14滑動(dòng)連接；水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體18左側(cè)的轉(zhuǎn)鏡座17上固定有與水平面呈45度夾角的水平轉(zhuǎn)鏡6，該殼體18右側(cè)底部的俯仰步進(jìn)電機(jī)19和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體22內(nèi)左側(cè)的俯仰齒輪21嚙合；水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體18與垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體22以滑環(huán)20滑動(dòng)連接，垂直轉(zhuǎn)鏡7固定在垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體22右側(cè)內(nèi)的垂直轉(zhuǎn)鏡座23上；垂直轉(zhuǎn)鏡7與該垂直轉(zhuǎn)鏡7和水平轉(zhuǎn)鏡6的中心連線呈45度夾角。水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體18和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體22 —起在方位步進(jìn)電機(jī)15帶動(dòng)下在水平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)；垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體22在俯仰步進(jìn)電機(jī)19帶動(dòng)下在垂直平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體22的側(cè)面
4正對(duì)著垂直轉(zhuǎn)鏡7有一圓形玻璃窗口 ，以傳輸來自多普勒激光雷達(dá)1和目標(biāo)散射的光束并且保護(hù)內(nèi)部光學(xué)鏡面不受污染。轉(zhuǎn)鏡4中心和水平轉(zhuǎn)鏡6中心與方位齒輪16中心在同一直線上。 上述的方位電機(jī)12和齒輪10的齒輪比，以及俯仰電機(jī)13和傳動(dòng)軸5的齒輪比小于l : 15以保證轉(zhuǎn)鏡4的角度轉(zhuǎn)動(dòng)精度不大于0. l度。 上述的伺服裝置8是由已有的無線收發(fā)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成，接收多普勒激光雷達(dá)1的指令以同時(shí)控制四個(gè)步進(jìn)電機(jī)——方位電機(jī)12，俯仰電機(jī)13，方位步進(jìn)電機(jī)15和俯仰步進(jìn)電機(jī)19轉(zhuǎn)動(dòng)，并將其狀態(tài)信息反饋到多普勒激光雷達(dá)1。
本發(fā)明的測(cè)量風(fēng)場(chǎng)的方法是首先利用多普勒激光雷達(dá)1上的光學(xué)掃描裝置2發(fā)射探測(cè)光束到目標(biāo)區(qū)24并且獲取該目標(biāo)區(qū)24各點(diǎn)的徑向風(fēng)矢量，然后多普勒激光雷達(dá)1上的光學(xué)掃描裝置2將該探測(cè)光束傳給光學(xué)收發(fā)裝置3 ;光學(xué)收發(fā)裝置3將接收到探測(cè)光束并在伺服裝置8的指令下開始調(diào)整轉(zhuǎn)鏡4的方位角和俯仰角，直至光束豎直向上照射到水平轉(zhuǎn)鏡6的對(duì)稱中心，然后經(jīng)由垂直轉(zhuǎn)鏡7發(fā)送到目標(biāo)區(qū)域24，并將目標(biāo)區(qū)24散射的光學(xué)信號(hào)返回至多普勒激光雷達(dá)1，以再次獲取該目標(biāo)區(qū)24各點(diǎn)徑向風(fēng)矢量；最后目標(biāo)區(qū)24內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速由兩次測(cè)量的徑向風(fēng)矢量按照平行四邊形法則矢量合成得到。
本發(fā)明中多普勒激光雷達(dá)1可以選用直接探測(cè)多普勒激光雷達(dá)，也可以選用相干多普勒激光雷達(dá)。轉(zhuǎn)鏡座17和垂直轉(zhuǎn)鏡座23的底座一般用桁架搭建。承載體14可以用越野車載體或者集裝箱。所有的步進(jìn)電機(jī)都可以配置同樣型號(hào)。
權(quán)利要求
一種準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)測(cè)量裝置，包括帶有光學(xué)掃描裝置(2)的多普勒激光雷達(dá)(1)，其特征在于它還包括受伺服裝置(8)控制的帶有轉(zhuǎn)鏡(4)、水平轉(zhuǎn)鏡(6)和垂直轉(zhuǎn)鏡(7)的光學(xué)收發(fā)裝置(3)，且多普勒激光雷達(dá)(1)和光學(xué)收發(fā)裝置(3)距離在1.5-3千米范圍內(nèi)；上述伺服裝置(8)和多普勒激光雷達(dá)(1)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸指令和狀態(tài)信息，上述光學(xué)收發(fā)裝置(3)的轉(zhuǎn)鏡將先接收來自多普勒激光雷達(dá)(1)的探測(cè)光束、并反射到水平轉(zhuǎn)鏡(6)后經(jīng)由垂直轉(zhuǎn)鏡(7)的中心發(fā)射到目標(biāo)區(qū)(24)；目標(biāo)區(qū)(24)的散射光信號(hào)依次憑借收發(fā)裝置(3)的垂直轉(zhuǎn)鏡(7)，水平轉(zhuǎn)鏡(6)和轉(zhuǎn)鏡(4)返回到多普勒激光雷達(dá)(1)的光學(xué)掃描裝置(2)上。
2. 如權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)測(cè)量裝置，其特征在于上述的光學(xué)收發(fā)裝置(3)包括殼體(9)內(nèi)固定在傳動(dòng)軸(5)上并受俯仰電機(jī)(13)嚙合帶動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡(4)，該殼體(9)下部固定的齒輪(10)座落在底座(11)上并與底座(11)滑動(dòng)連接，該齒輪(10)與固定在底座(11) 一側(cè)的方位電機(jī)(12)相嚙合而水平轉(zhuǎn)動(dòng)；承載體(14)底部固定有底座(II) 和伺服裝置(8)，承載體(14)頂部承載著水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體(18);固定在承載體(14) 一側(cè)的方位步進(jìn)電機(jī)(15)嚙合帶動(dòng)該殼體(18)下方的圓環(huán)形方位齒輪(16)，方位齒輪(16)底部和承載體(14)滑動(dòng)連接；水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體(18)左側(cè)的轉(zhuǎn)鏡座(17)上固定有與水平面呈45度夾角的水平轉(zhuǎn)鏡(6)，該殼體(18)右側(cè)底部的俯仰步進(jìn)電機(jī)(19)和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體(22)內(nèi)左側(cè)的俯仰齒輪(21)嚙合；水平轉(zhuǎn)動(dòng)殼體(18)與垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體(22)以滑環(huán)(20)滑動(dòng)連接，垂直轉(zhuǎn)鏡(7)固定在垂直轉(zhuǎn)動(dòng)殼體(22)右側(cè)內(nèi)的垂直轉(zhuǎn)鏡座(23)上；所述轉(zhuǎn)鏡(4)中心和水平轉(zhuǎn)鏡(6)中心與方位齒輪(16)中心在同一直線上；垂直轉(zhuǎn)鏡(7)與該垂直轉(zhuǎn)鏡(7)和水平轉(zhuǎn)鏡(6)的中心連線呈45度夾角。
3. 如權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)測(cè)量裝置，其特征在于上述的方位電機(jī)(12) 和齒輪(10)的齒輪比小于1 : 15。
4. 如權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)測(cè)量裝置，其特征在于上述的俯仰電機(jī)(13) 和傳動(dòng)軸(5)的齒輪比小于1 : 15。
5. 用權(quán)利要求1所述準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量的方法，首先利用多普勒激光雷達(dá)(1)上的光學(xué)掃描裝置(2)掃描探測(cè)光束到目標(biāo)區(qū)(24)并且獲取該目標(biāo)區(qū)各點(diǎn)的徑向風(fēng)矢量；然后光學(xué)掃描裝置(2)將探測(cè)光束傳給光學(xué)收發(fā)裝置(3);該光學(xué)收發(fā)裝置(3)將接收到的探測(cè)光束發(fā)送到目標(biāo)區(qū)域(24)，并將目標(biāo)區(qū)(24)的散射光學(xué)信號(hào)返回至多普勒激光雷達(dá)(l)，以再次獲取該目標(biāo)區(qū)(24)各點(diǎn)徑向風(fēng)矢量；最后目標(biāo)區(qū)(24)內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速由兩次測(cè)量的徑向風(fēng)矢量按照平行四邊形法則合成得到。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種準(zhǔn)雙多普勒激光雷達(dá)裝置及其測(cè)量方法。包括有光學(xué)掃描裝置的多普勒激光雷達(dá)，其特征是它還包括受伺服裝置控制的帶有轉(zhuǎn)鏡、水平轉(zhuǎn)鏡和垂直轉(zhuǎn)鏡的光學(xué)收發(fā)裝置協(xié)同多普勒激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)兩部多普勒激光雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)區(qū)風(fēng)場(chǎng)的功能。方法是多普勒激光雷達(dá)發(fā)射探測(cè)光束到目標(biāo)區(qū)獲取該目標(biāo)區(qū)各點(diǎn)的徑向風(fēng)矢量，然后其上的光學(xué)掃描裝置將該探測(cè)光束傳給光學(xué)收發(fā)裝置；該光學(xué)收發(fā)裝置將先接收來自多普勒激光雷達(dá)的探測(cè)光束發(fā)射到目標(biāo)區(qū)，把目標(biāo)區(qū)的散射光信號(hào)返回到多普勒激光雷達(dá)，以再次獲取該目標(biāo)區(qū)各點(diǎn)徑向風(fēng)矢量；最后目標(biāo)區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速由兩次測(cè)量的徑向風(fēng)矢量合成得到，測(cè)量方便，精度高，成本低。
文檔編號(hào)G01S7/486GK101788668SQ20101010561
公開日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月31日
發(fā)明者劉智深, 劉秉義, 尹祺巍, 李志剛, 畢德倉(cāng), 王希濤 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋大學(xué)