一种云层测量系统的制作方法

1.本实用新型涉及测量设备技术领域，具体涉及一种云层测量系统。


背景技术：

2.云是由大气中水滴、冰晶微粒组成的聚合体，对地气系统的辐射平衡、热量平衡和温湿平衡发挥着重要的作用。了解云分布规律及演化运动过程，对于评估自然灾害发生机理、预测天空辐照分布特征均具有重要意义。云属于天空模型中较难确定的气象因素之一。
3.目前对云层的特征参数进行测量的技术手段主要包括卫星云图测量、激光测量、天空成像仪测量、雷达测量和红外技术测量。其中，激光测量方法由于技术较为成熟，且能够轻松实现十公里以上云高以及三层左右云层厚度的测量，因此得到了广泛的应用。然而，激光云高仪的测量范围较小，虽然部分激光云高仪被设置成与旋转式机械结构相连，能实现一定角度内的云层的测量，但由于机械结构的旋转角度有限，因此测量的角度也较小，不能对全天平面上的云层信息进行测量。


技术实现要素：

4.因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的云层测量系统仅能对有限角度内的云高和云厚进行测量的缺陷，从而提供一种测量范围更大、测量精度更高的云层测量系统，其能够更高精度地测量全天空范围内的云高、云厚等参数。
5.为了解决上述问题，本实用新型提供了一种云层测量系统，包括：激光扫描仪，其包括扫描仪壳体、激光器和半面凸透镜，扫描仪壳体的顶部形成有出射口，半面凸透镜盖设在出射口上，且半面凸透镜的凸面朝上设置，激光器设置在扫描仪壳体内且朝上设置；驱动机构，其与激光器相连，适于驱动激光器在水平方向运动；激光接收装置，其包括接收装置壳体和半球形透光镜，接收装置壳体的顶部形成有入射口，半球形透光镜盖设在入射口上，且半球形透光镜的球面朝上设置。
6.进一步地，云层测量系统还包括设置在扫描仪壳体内的透镜组，透镜组适于缩小激光器发射的激光的照射范围，且从透镜组透射出的激光朝上。
7.进一步地，扫描仪壳体包括第一子壳体和设置在第一子壳体上的第二子壳体，第一子壳体的横截面积大于第二子壳体的横截面积，半面凸透镜设置在第二子壳体上，透镜组包括第二凸透镜和第三凸透镜，第二凸透镜设置在第一子壳体内，第三凸透镜设置在第二子壳体内，第一子壳体和第二子壳体之间形成有允许激光穿过的通孔。
8.进一步地，驱动机构包括：
9.第一伺服电机，其通过第一传动轴与激光器相连，适于驱动激光器朝第一方向运动；
10.第二伺服电机，其通过第二传动轴与激光器相连，适于驱动激光器朝第二方向运动，第一方向与第二方向之间形成夹角。
11.进一步地，第一伺服电机设置在扫描仪壳体外，第一传动轴穿过扫描仪壳体连接
激光器和第一伺服电机；和/或，
12.第二伺服电机设置在扫描仪外，第二传动轴穿过扫描仪壳体连接激光器和第二伺服电机。
13.进一步地，扫描仪壳体的内壁上设置有缓冲垫，缓冲垫位于激光器的等高处。
14.进一步地，激光接收装置还包括第三凸透镜，第三凸透镜设置在半球形透光镜的下方，适于会聚半球形透光镜透射出的激光束并使其竖直向下。
15.进一步地，激光接收装置还包括：
16.光电倍增管，其设置在接收装置壳体内并位于第三凸透镜下方；
17.光子计数卡，其与光电倍增管通信连接；
18.控制器，其与光子计数卡通信连接。
19.进一步地，驱动机构与控制器通信连接，控制器与上位机通信连接。
20.进一步地，云层测量系统还包括孔板，孔板上形成有多个孔洞，当激光器处于预设坐标时，扫描仪发出的激光适于穿过孔洞。
21.本实用新型具有以下优点：
22.本实用新型实施例的云层测量系统主要包括激光扫描仪、驱动机构和激光接收装置。其中，驱动机构能够驱动激光扫描仪的激光器在水平方向运动，以使得激光器发出激光能够照射在半面凸透镜的不同位置，以被半面凸透镜折射并偏移一定角度。半面凸透镜的平面侧能够接收垂直射入的激光，凸面能够使激光发生全天空范围的偏移。进入天空的激光束将在云团的上表面和下表面分别进行反射。激光接收装置上形成有半球形透光镜，半球形透光镜能够用于矫正激光的偏移角度，并通过其自身的球形设计将全天空范围内的激光束汇入到激光接收装置内部。
23.因此，本实用新型实施例的云层测量系统能够克服现有技术中的云层测量系统仅能对有限角度内的云高和云厚进行测量的缺陷，其测量范围更大，能够更高精度地测量全天空范围内的云高、云厚等参数。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1示出了本实用新型实施例的云层测量系统的俯视图；
26.图2为本实用新型实施例的云层测量系统的激光扫描仪的剖视图；
27.图3为本实用新型实施例的云层测量系统的激光接收装置的剖视图；
28.图4为本实用新型实施例的云层测量系统的孔板。
29.附图标记说明：
30.1、激光扫描仪；11、扫描仪壳体；112、第一子壳体；113、第二子壳体；114、通孔；12、激光器；13、半面凸透镜；21、第一伺服电机；22、第二伺服电机；23、第一传动轴；24、第二传动轴；3、激光接收装置；31、接收装置壳体；32、半球形透光镜；33、第三凸透镜；34、光电倍增管；35、光子计数卡；4、透镜组；41、第一凸透镜；42、第二凸透镜；5、孔板；51、孔洞；6、缓冲
垫；7、控制器。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。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实用新型中的具体含义。
34.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
35.图1示出了本实用新型实施例的云层测量系统的俯视图。图2为本实用新型实施例的云层测量系统的激光扫描仪的剖视图。图3为本实用新型实施例的云层测量系统的激光接收装置的剖视图。如图1、图2和图3所示，本实施例涉及一种云层测量系统，包括激光扫描仪1、驱动机构和激光接收装置3。其中，激光扫描仪1包括扫描仪壳体11、激光器12和半面凸透镜13。扫描仪壳体11的顶部形成有出射口，半面凸透镜13盖设在出射口上，且半面凸透镜13的凸面朝上设置。激光器12设置在扫描仪壳体11内且朝上设置。
36.驱动机构与激光器12相连，适于驱动激光器12在水平方向运动。激光接收装置3包括接收装置壳体31和半球形透光镜32。接收装置壳体31的顶部形成有入射口，半球形透光镜32盖设在入射口上，且半球形透光镜32的球面朝上设置。
37.本实施例的云层测量系统主要包括激光扫描仪1、驱动机构和激光接收装置3。其中，驱动机构能够驱动激光扫描仪1的激光器12在水平方向运动，以使得激光器12发出激光能够照射在半面凸透镜13的不同位置，被半面凸透镜13折射并偏移一定角度。半面凸透镜13的平面侧能够接收垂直射入的激光，凸面能够使激光束发生全天空范围的偏移。进入天空的激光束将在云团的上表面和下表面分别进行反射。激光接收装置3上形成有半球形透光镜32，半球形透光镜32能够用于矫正激光的偏移角度，并通过其自身的球形设计将全天空范围内的激光束汇入到激光接收装置3内部。
38.因此，本实用新型实施例的云层测量系统能够克服现有技术中的云层测量系统仅能对有限角度内的云高和云厚进行测量的缺陷，其测量范围更大，测量精度较高，能够更高精度地测量全天空范围内的云高、云厚等参数。此外，本实施例的云层测量系统采用可编程逻辑控制器7实现位置控制、脉冲计数、参数处理等任务的同步调度，并结合卡尔曼滤波、动
态差值等算法实现云团的实时跟踪和三维重建。
39.激光器12发射的激光可选为直接照射到半面凸透镜13上。优选地，在本实施例中，云层测量系统还包括设置在扫描仪壳体11内的透镜组4。透镜组4适于缩小激光器12发射的激光的照射范围，且从透镜组4透射出的激光朝上。为了避免激光束在通过半面凸透镜13时发生散射，影响云层测量系统的准确性，目前对半面凸透镜13的加工精度的要求较高，这使得当半面凸透镜13的体积越大时，其废品率就越高，加工成本就越高。
40.又由于激光器12需要在扫描仪壳体11内进行运动，这使得壳体的体积需要被设置的较大，用于接收激光器12发射的激光束的半面凸透镜13的面积需要被设置的较大，导致大大增加了半面凸透镜13的废品率和制造成本。本实施例的云层测量系统的透镜组4能够缩小激光的照射范围，这使得半面凸透镜13的面积能够被设置的较小，以降低对半面凸透镜13的加工精度的要求，降低半面凸透镜13的加工成本和废品率。
41.优选地，在本实施例中，扫描仪壳体11包括第一子壳体112和设置在第一子壳体112上的第二子壳体113。第一子壳体112的横截面积大于第二子壳体113的横截面积，半面凸透镜13设置在第二子壳体113上。透镜组4包括第二凸透镜42和第三凸透镜33。第二凸透镜42设置在第一子壳体112内。第三凸透镜33设置在第二子壳体113内。第一子壳体112和第二子壳体113之间形成有允许激光穿过的通孔114。通过设置透镜组4能够使得第二子壳体113的体积被设置的较小，以减小扫描仪壳体11所占用的体积，并降低扫描仪壳体11的制造成本。
42.驱动机构可选为包括第一线性驱动装置和第二线性驱动装置。第一线性驱动装置设置在壳体的底部。第二线性驱动装置设置在第一线性驱动装置上，激光器12设置在第二线性驱动机构上并由第一线性驱动机构驱动。第一线性驱动机构和第二线性驱动机构的驱动方向之间形成夹角，由此保证激光器12能够处于扫描仪底部的各个位置。第一线性驱动机构和第二线性驱动机构优选但不限于为能够输出直线运动的装置，比如液压缸、气压缸、电缸或电机与齿轮齿条的组合等。
43.优选地，在本实施例中，驱动机构包括第一伺服电机21和第二伺服电机22。第一伺服电机21通过第一传动轴23与激光器12相连，适于驱动激光器12朝第一方向运动。第二伺服电机22通过第二传动轴24与激光器12相连，适于驱动激光器12朝第二方向运动。第一方向与第二方向之间形成夹角。由于伺服电机的控制精度较高，使用伺服电机能够控制激光器12进行较为精准的运动，保证了激光器12的相邻两个发射位置的距离较近，在天空范围内采样点的数量较多。在一个更优的实施例中，第一伺服电机21和第二伺服电机22均为高速伺服电机，能够提升云层测量系统的采样速度，进而提升其测量速度。
44.现有技术中的激光扫描仪1与旋转机构相连，由于旋转机构的控制精度较低，且即使旋转机构只旋转了一个较小的角度，相邻的两个采样点的距离也较大，导致了现有技术中的云层测量系统的采样点的数量较少，尚不能满足三维重建需要的空间分辨率。本实施例的云层测量系统使用高精度的伺服电机驱动激光器12在平面内进行运动，调节的精度较高，能够保证相邻的两个采样点之间的距离较小，采样点的数量较多，能够准确地构建云层三维结构。
45.另外，由于本实施例的云层测量系统内还设置了透镜组4，这使得在不增大半面凸透镜13的体积的情况下，激光器12的运动范围能够被设置的更大，以增加采样点的数量，从
而进一步提升云层测量系统的测量精度。
46.第一伺服电机21和第二伺服电机22可选为设置在扫描仪壳体11内，优选地，在本实施例中，第一伺服电机21设置在扫描仪壳体11外。第一传动轴23穿过扫描仪壳体11连接激光器12和第一伺服电机21；和/或，
47.第二伺服电机22设置在扫描仪外，第二传动轴24穿过扫描仪壳体11连接激光器12和第二伺服电机22。这使得扫描仪的壳体的体积能够被设置的较小，以减小激光扫描装置的占用体积。
48.优选地，在本实施例中，扫描仪壳体11的内壁上设置有缓冲垫6，缓冲垫6位于激光器12的等高处，能够防止高速伺服电机位移，导致激光器12与扫描仪壳体11的内壁发生碰撞。
49.优选地，在本实施例中，激光接收装置3还包括第三凸透镜33。第三凸透镜33设置在半球形透光镜32的下方，适于会聚半球形透光镜32透射出的激光并使其竖直向下。
50.在本实施例中，激光接收装置3还包括光电倍增管34、光子计数卡35和控制器7。其中，光电倍增管34设置在接收装置壳体31内并位于第三凸透镜33下方。光子计数卡35与光电倍增管34通信连接。控制器7与光子计数卡35通信连接。光电倍增管34用于将微弱光信号转换为信号强度较强的电信号。光电倍增管34与光子计数卡35通信连接，能够将电信号传输给光子计数卡35，光子计数卡35将信号序列传输控制器7，由此基于激光接收装置3中的光学系统，将天空云图信息转换为离散电信号序列。优选地，在本实施例中，光电倍增管34与光子计数卡35通过低阻电缆线相连。
51.在本实施例中，驱动机构与控制器7通信连接。控制器7与上位机通信连接，能够将处理得出的云层信息传回至上位机，并接受上位机的配置信息，如扫描周期、位移分辨率等。本实施例的云层测量系统通过控制器7实现激光扫描仪1和激光接收装置3的同步控制，保证激光信号同步性，从而更准确地构建云团三维结构。控制器7可包括可编程逻辑控制部件(如plc或cpu)、存储器和与可编程逻辑控制部件相连的电子元件等，属于本领域技术人员熟知的，在此不再详述。
52.优选地，如图2和图4所示，在本实施例中，云层测量系统还包括孔板5。孔板5上形成有多个孔洞51，当激光器12处于预设坐标时，扫描仪发出的激光适于穿过孔洞51。孔板5能够过滤掉偏离预设坐标处的激光束，在一定程度上保证测量的准确性。另外，孔板5优选为被设置成具有一定的厚度，这使得当驱动机构的驱动速度较快，导致激光器12发生倾斜时，激光器12发射的倾斜激光束无法通过孔洞51，以减少机械摆动产生的误差数据，进一步提升了测量的准确性。基于激光器平面坐标记录，能够与激光接收装置3接收到的激光进行同步对齐。为本领域技术人员所熟知，在此不再详述。
53.接下来说明本实施例的云层测量系统的使用过程：
54.首先，控制器7连接伺服电机并向其传输位置控制信号，两台伺服电机根据控制信号快速、准确的移动至相应位置，并经传动轴推动激光器12在水平面上进行移动。
55.移动中的激光器12将在竖直方向上产生激光束，激光透过孔板5上孔洞51后射入第一凸透镜41，并将激光束偏移一定角度，之后该激光束将依次经过第二凸透镜42、半面凸透镜13后射向天空，由此基于第一伺服电机21和第二伺服电机22控制激光器12在水平面上的任意位置进行移动，并经激光扫描仪1中的光学系统形成全天空范围内的激光扫描。
56.进入天空的激光束将在云团下表面和上表面分别进行反射。反射后的信号将依次进入激光接收装置3。具体地，激光束分别进入那半球形透光镜和第三凸透镜33后形成竖直方向上的激光束。激光束经光电倍增管34后转换为电信号。电信号经过低阻电缆线传输给光子计数卡35。光子计数卡35将信号序列传输至控制器7，由此基于激光接收装置3中的光学系统，将天空云图信息转换为离散电信号序列。
57.控制器7除控制两台伺服电机和接受激光接收装置3的电信号外，还需通过通信电缆连接上位机，主要用于将处理得出的云团信息传回至上位机系统，并接受上位机系统的配置信息(如扫描周期、位移分辨率等)。
58.例如，在单层云团天空条件下，激光扫描仪1第1个位置控制信号发出时间t1。激光接收装置3接收到连续信号的时间为t2、t3。其中t2、t3时间点分别为接收到云团底部和顶部反射回信号的时间点。控制器7能够根据激光运动速度和t2与t1之间的差值获得云底高度，根据激光运动速度和t3与t2之间的差值获得云团厚度。接着控制激光扫描仪的多个位置依次发射电信号，，依次可重构处云图不同位置处的云高和云厚。
59.综上所述，本实施例的云层测量系统能够克服现有技术中的云层测量系统仅能对有限角度内的云高和云厚进行测量的缺陷，其测量范围更大，测量精度更高，能够更高精度地测量全天空范围内的云高、云厚等参数。
60.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种云层测量系统，其特征在于，包括：激光扫描仪(1)，其包括扫描仪壳体(11)、激光器(12)和半面凸透镜(13)，所述扫描仪壳体(11)的顶部形成有出射口，所述半面凸透镜(13)盖设在所述出射口上，且所述半面凸透镜(13)的凸面朝上设置，所述激光器(12)设置在所述扫描仪壳体(11)内且朝上设置；驱动机构，其与所述激光器(12)相连，适于驱动所述激光器(12)在水平方向运动；激光接收装置(3)，其包括接收装置壳体(31)和半球形透光镜(32)，所述接收装置壳体(31)的顶部形成有入射口，所述半球形透光镜(32)盖设在所述入射口上，且所述半球形透光镜(32)的球面朝上设置。2.根据权利要求1所述的云层测量系统，其特征在于，所述云层测量系统还包括设置在所述扫描仪壳体(11)内的透镜组(4)，所述透镜组(4)适于缩小所述激光器(12)发射的激光的照射范围，且从所述透镜组(4)透射出的激光朝上。3.根据权利要求2所述的云层测量系统，其特征在于，所述扫描仪壳体(11)包括第一子壳体(112)和设置在所述第一子壳体(112)上的第二子壳体(113)，所述第一子壳体(112)的横截面积大于所述第二子壳体(113)的横截面积，所述半面凸透镜(13)设置在所述第二子壳体(113)上，所述透镜组(4)包括第二凸透镜(42)和第三凸透镜(33)，所述第二凸透镜(42)设置在所述第一子壳体(112)内，所述第三凸透镜(33)设置在所述第二子壳体(113)内，所述第一子壳体(112)和第二子壳体(113)之间形成有允许激光穿过的通孔(114)。4.根据权利要求1-3中任一项所述的云层测量系统，其特征在于，所述驱动机构包括：第一伺服电机(21)，其通过第一传动轴(23)与所述激光器(12)相连，适于驱动所述激光器(12)朝第一方向运动；第二伺服电机(22)，其通过第二传动轴(24)与所述激光器(12)相连，适于驱动所述激光器(12)朝第二方向运动，所述第一方向与第二方向之间形成夹角。5.根据权利要求4所述的云层测量系统，其特征在于，所述第一伺服电机(21)设置在所述扫描仪壳体(11)外，所述第一传动轴(23)穿过所述扫描仪壳体(11)连接所述激光器(12)和所述第一伺服电机(21)；和/或，所述第二伺服电机(22)设置在所述扫描仪外，所述第二传动轴(24)穿过所述扫描仪壳体(11)连接所述激光器(12)和所述第二伺服电机(22)。6.根据权利要求1-3中任一项所述的云层测量系统，其特征在于，所述扫描仪壳体(11)的内壁上设置有缓冲垫(6)，所述缓冲垫(6)位于所述激光器(12)的等高处。7.根据权利要求1-3中任一项所述的云层测量系统，其特征在于，所述激光接收装置(3)还包括第三凸透镜(33)，所述第三凸透镜(33)设置在所述半球形透光镜(32)的下方，适于会聚所述半球形透光镜(32)透射出的激光束并使其竖直向下。8.根据权利要求7所述的云层测量系统，其特征在于，所述激光接收装置(3)还包括：光电倍增管(34)，其设置在所述接收装置壳体(31)内并位于所述第三凸透镜(33)下方；光子计数卡(35)，其与所述光电倍增管(34)通信连接；控制器(7)，其与所述光子计数卡(35)通信连接。9.根据权利要求8所述的云层测量系统，其特征在于，所述驱动机构与所述控制器(7)通信连接，所述控制器(7)与上位机通信连接。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的云层测量系统，其特征在于，所述云层测量系统还包括孔板(5)，所述孔板(5)上形成有多个孔洞(51)，当所述激光器(12)处于预设坐标时，所述扫描仪发出的激光适于穿过所述孔洞(51)。

技术总结
本实用新型涉及了一种云层测量系统，包括：激光扫描仪，其包括扫描仪壳体、激光器和半面凸透镜，扫描仪壳体的顶部形成有出射口，半面凸透镜盖设在出射口上，且半面凸透镜的凸面朝上设置，激光器设置在扫描仪壳体内且朝上设置；驱动机构，其与激光器相连，适于驱动激光器在水平方向运动；激光接收装置，其包括接收装置壳体和半球形透光镜，接收装置壳体的顶部形成有入射口，半球形透光镜盖设在入射口上，且半球形透光镜的球面朝上设置。本实用新型实施例的云层测量系统能够克服现有技术中的云层测量系统仅能对有限角度内的云高和云厚进行测量的缺陷，其测量范围更大，能够更高精度地测量全天空范围内的云高、云厚等参数。云厚等参数。云厚等参数。


技术研发人员：王乾 王峥瀛 苏营 李婉 朱强 王杰
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：2023.02.28
技术公布日：2023/10/20