CN101581786A - 一种半导体激光雷达能见度仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光雷达能见度仪，包括有激光发射系统、接收光学系统、信号采集和控制系统，其特征在于：所述激光发射系统包括有半导体激光器、耦合透镜、第一耦合光纤、发射望远镜和具有反射透射功能的平面镜，所述接收光学系统包括有接收望远镜、第二耦合光纤、光电探测器、放大器，所述信号采集控制系统包括有AD采集卡、计算机及门控系统，所述AD采集卡与计算机采用堆叠式连接。本发明装置结构小巧轻便，适用性强，操作简单，可以实时测量水平及斜程能见度数据，为气象、交通、环保和军事等领域提供可靠的能见度信息。

Description

一种半导体激光雷达能见度仪

技术领域

本发明涉及交通、气象、环保和军事等领域中使用的能见度仪，具体涉及一种半导体激光雷达能见度仪领域。

背景技术

能见度是气象观测中的常规项目，它反映了大气的浑浊程度，低能见度情况如大雾天气会影响交通安全、军事行动等。目前水平能见度的测量已经比较准确，较为成熟的产品有大气透射仪等。由于大气竖直方向分布并不均匀，大气能见度会随高度增加而减小，因此，斜视方向的能见度与水平测量得到的能见度会有较大差异。当存在地表雾时，水平能见度很低而斜程能见度较高，根据水平能见度判断可能造成机场关闭；当存在低层云时，水平能见度较高而斜程能见度较低，此时根据水平能见度判断则会给飞机降落带来危险。

而现有的机场测量仪器大都只能测量水平方向能见度，无法给出斜视方向能见度的信息。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种半导体激光雷达能见度仪，该系统可快速检测水平及斜程能见度，并且探测角度可任意调整，扩大了检测范围和功能，稳定的反演迭代算法提高了检测速度和检测精度，克服了以往激光雷达能见度仪体积大、成本高、使用复杂、推广普及难等不足。该激光雷达体积小巧、结构紧凑、使用方便，可任意调整测量角度，实现水平及斜程能见度测量的任意转换。

为解决上述问题，本发明的方案为：

一种半导体激光雷达能见度仪，包括有激光发射系统、接收光学系统、信号采集和控制系统，其特征在于：所述激光发射系统包括有半导体激光器、耦合透镜、第一耦合光纤、发射望远镜和具有透射反射功能的平面镜，所述半导体激光器的出射口设置有耦合透镜，所述耦合透镜的焦点处设置有第一耦合光纤，所述第一耦合光纤的出光口设置于激光发射望远镜的焦点处，所述发射望远镜的前端设有一个具有透射反射功能的平面镜，从具有透射反射功能的平面镜反射的部分激光被设置于发射望远镜焦点处的光电二极管接收，所述光电二极管将接收到的信号输入到门控，门控输出触发信号至计算机和采集卡；所述接收光学系统包括有接收望远镜、第二耦合光纤、光电探测器、信号放大器，所述接收望远镜前端设有滤光片，焦点处设置有第二耦合光纤，激光经散射回来经接收望远镜接收后，由第二耦合光纤从接收望远镜的焦点处将激光传送到光电探测器，所述光电探测器的信号输入放大器放大后再接入计算机；所述信号采集控制系统包括有AD采集卡、计算机及门控系统，所述AD采集卡与计算机采用堆叠式连接，由接收望远镜接收到的激光信号经光电探测器检测和放大器放大后，由AD采集卡进行采样、AD转换，再送入计算机进行数据分析等处理，所述计算机通过输出电压控制信号到激光器控制激光器发射激光的脉宽和能量，所述AD采集卡和计算机均由门控系统触发。

半导体激光雷达能见度探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、设置一个发射望远镜，将半导体激光器的出射激光经过耦合透镜后，由光纤输送到发射望远镜发射光束，发射光束方向可水平或斜向任意调节，连续发射；部分发射光经反射由光电二极管接收，光电二极管接收后输出信号给门控系统作为控制触发信号；

(2)、通过接收望远镜接收大气后向散射信号，将采集到的后向散射信号进行累计叠加取平均，扣除背景噪声即可得到所需的激光后向散射信号；

(3)、根据Fernald消光系数反演理论，采用一种稳定的消光系数迭代方法对步骤(2)中获得的后向散射信号进行迭代处理，得到激光传输路径上各点大气消光系数，将各点消光系数平均后得到的大气平均消光系数代入能见度公式即可得到能见度值：

大气气溶胶消光系数可以由以下公式求得：

${\mathrm{\σ}}_a\left(R\right)=\frac{X\left(R\right)\exp [-2(S_a-S_m){\∫}_R^{R_m}{\mathrm{\β}}_m\left(r\right)\mathrm{dr}]}{\frac{X\left(R_m\right)}{{\mathrm{\σ}}_a\left(R_m\right)+S_a/S_m{\mathrm{\σ}}_m\left(R_m\right)}+2{\∫}_R^{R_m}X\left(R\right)\exp [-2(S_a-S_m){\∫}_R^{R_m}{\mathrm{\β}}_m\left(r^{\′}\right)d{r}^{\′}]}$

$-\frac{S_a}{S_m}{\mathrm{\σ}}_m\left(R\right)$

其中，X(R)为距离修正信号，由公式X(R)＝P(R)R²/Y(R)求得，其中P(R)为激光雷达接收到的信号功率，Y(R)为激光雷达系统的几何重叠因子，R为探测距离，S_a、Sm分别为大气气溶胶的消光-后向散射比和大气分子的消光-后向散射比，β_a(R)与β_m(R)分别是大气气溶胶和大气分子的后向散射系数，均为常数，为σ_a(Rm)代表测量距离(含有噪声)末端的气溶胶消光系数估计值，Rm为最大探测距离；

大气分子消光系数可以由以下公式求得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_m(z,\mathrm{\λ})=1.54\×{10}^{-3}\exp (-\frac{z}{7}){\left(\frac{532}{\mathrm{\λ}}\right)}^4\\ {\mathrm{\σ}}_m(z,\mathrm{\λ})={\mathrm{\β}}_m(z,\mathrm{\λ})\frac{8}{3}\mathrm{\π}\end{array}\right.$

其中，λ为激光波长；

分别求得大气气溶胶和大气分子的消光系数后，可以知道总的消光系数：

σ＝σ_a+σ_m

将总的消光系数代入公式 $\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{3.91}{V}{\left(\frac{550}{\mathrm{\λ}}\right)}^{{0585V}^{\frac{1}{3}}}$ (λ为激光波长)，就可以得到能见度值，由于这里的消光系数为激光传输路径上各点消光系数平均值，所以得到的能见度值也为整层路径平均能见度值；

(4)、系统设定固定时间间隔重复步骤(1)、(2)、(3)，就可以进行连续自动测量，得到被测量地区不同时间段内的能见度。

(5)、如果需要测量不同角度方向的能见度，只需在系统参数中更改所需角度方向的信息，就可以连续自动测量所需方向的能见度值。

本发明的有益效果：

(1)、装置结构小巧轻便，发射机与接收机一体化，机械加工精度要求不高，成本较低；

(2)、适用性强，可以任意调整角度进行多仰角测量，可以任意调整测量位置无需固定安装，且方便与现有水平能见度仪进行对比测试；

(3)、系统全固化和模块化结构，无需太多调整，操作简单，无需专业人员即可操作；

(4)、采用一种稳定的消光系数反演迭代算法，提高测量的准确性和稳定性，实现系统自动化测量；

(5)、系统可设定不同探测时间间隔，实时显示能见度值。

附图说明

图1为本发明装置的光路设计结构示意图；

图2为本发明装置经过多次测量反演得到的系统重叠因子；

图3为本发明装置经试验测量的实际信号。

具体实施方式

参见图1，一种半导体激光雷达能见度仪，包括有激光发射系统、接收光学系统、信号采集和控制系统，激光发射系统包括有半导体激光器1、耦合透镜2、第一耦合光纤3、发射望远镜4和具有反射透射功能的平面镜5，半导体激光器1的出射口设置有耦合透镜2，耦合透镜2的焦点处设置有第一耦合光纤3，第一耦合光纤3的出光口设置于激光发射望远镜4的焦点处，发射望远镜4的前端设有一个具有反射透射功能的平面镜5，从具有反射透射功能的平面镜5上反射的部分激光被设置于发射望远镜焦点处的光电二极管6接收，光电二极管6将接收到的信号输入到门控，门控输出触发信号至嵌入式计算机7和AD采集卡；接收光学系统包括有接收望远镜8、第二耦合光纤9、光电探测器10，接收望远镜前端设有滤光片11，焦点处设置有第二耦合光纤9，激光经反射回来经接收望远镜8接收后，由第二耦合光纤9从接收望远镜8的焦点处将激光传送到光电探测器10，所述光电探测器10采用光电倍增管PMT，光电探测器的信号输入嵌入式计算机7；信号采集控制系统包括有AD采集卡、嵌入式计算机7及门控系统，AD采集卡与计算机采用堆叠式连接；由接收望远镜接收到的激光信号经光电探测器检测和放大器放大后，由AD采集卡进行采样、AD转换，再送入计算机进行数据分析等处理，计算机通过输出电压控制信号控制激光器发射激光的脉宽和能量，所述嵌入式计算机和AD采集卡由门控触发控制。

参见图2、3，半导体激光雷达能见度探测方法，包括以下步骤：

(1)、将本发明装置放置于空旷的平地上，调整好倾斜角度；

(2)、设接通电源，发射激光，发射光束方向可任意调节到所需方向，接收后向散射的激光信号，连续发射激光脉冲；并截取部分发射光束由光电二极管接收，光电二极管接收后输出信号给门控系统和计算机作为控制触发信号；

(3)、根据Fernald消光系数反演理论，采用一种稳定的消光系数迭代方法对步骤(2)中获得的后向散射信号进行迭代处理，得到激光传输路径上各点大气消光系数，将各点消光系数平均后得到的大气平均消光系数代入能见度公式即可得到能见度值：

(4)、系统设定固定时间间隔重复步骤(1)、(2)、(3)，就可以进行连续自动测量，得到被测量地区不同时间段内的能见度。

(5)、如果需要测量不同角度方向的能见度，只需在系统参数中更改所需角度方向的信息，就可以连续自动测量所需方向的能见度值。

大气气溶胶消光系数可以由以下公式求得：

${\mathrm{\σ}}_a\left(R\right)=\frac{X\left(R\right)\exp [-2(S_a-S_m){\∫}_R^{R_m}{\mathrm{\β}}_m\left(r\right)\mathrm{dr}]}{\frac{X\left(R_m\right)}{{\mathrm{\σ}}_a\left(R_m\right)+S_a/S_m{\mathrm{\σ}}_m\left(R_m\right)}+2{\∫}_R^{R_m}X\left(R\right)\exp [-2(S_a-S_m){\∫}_R^{R_m}{\mathrm{\β}}_m\left(r^{\′}\right)d{r}^{\′}]}$

$-\frac{S_a}{S_m}{\mathrm{\σ}}_m\left(R\right)$

其中，X(R)为距离修正信号，由公式X(R)＝P(R)R²/Y(R)求得，其中P(R)为激光雷达接收到的信号功率，Y(R)为激光雷达系统的几何重叠因子，R为斜测距离，S_a、Sm分别为大气气溶胶的消光-后向散射比和大气分子的消光-后向散射比，β_a(R)与β_m(R)分别是大气气溶胶和大气分子的后向散射系数，均为常数，为σ_a(Rm)代表测量距离(含有噪声)末端的气溶胶消光系数估计值，Rm为最大探测距离。

大气分子消光系数可以由以下公式求得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_m(z,\mathrm{\λ})=1.54\×{10}^{-3}\exp (-\frac{z}{7}){\left(\frac{532}{\mathrm{\λ}}\right)}^4\\ {\mathrm{\σ}}_m(z,\mathrm{\λ})={\mathrm{\β}}_m(z,\mathrm{\λ})\frac{8}{3}\mathrm{\π}\end{array}\right.$

其中，λ为激光波长；

分别求得大气气溶胶和大气分子的消光系数后，可以知道总的消光系数：

σ＝σ_a+σ_m

将总的消光系数代入公式 $\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{3.91}{V}{\left(\frac{550}{\mathrm{\λ}}\right)}^{{0585V}^{\frac{1}{3}}}$ (λ为激光波长)，就可以得到能见度值，由于这里的消光系数为激光传输路径上的平均消光系数，所以得到的能见度值也为整层路径平均能见度值；

(6)、重复步骤(1)、(2)、(3)、(4)、(5)就可以获得不同仰角方向、不同时间段内的多组能见度信息；

(7)、综合比较后最终获得较为可靠的能见度信息。

本发明半导体激光雷达能见度仪不局限于上述探测方法，例如：可以将该仪器安装在高速公路各个不同路段，实时探测水平能见度，并将能见度信息通过网络加入高速公路管理系统，提供准确可靠的交通信息，避免因能见度低而造成的重特大交通事故。

Claims (2)

1、一种半导体激光雷达能见度仪，包括有激光发射系统、接收光学系统、信号采集和控制系统，其特征在于：所述激光发射系统包括有半导体激光器、耦合透镜、第一耦合光纤、发射望远镜和具有透射反射功能的平面镜，所述半导体激光器的出射口设置有耦合透镜，所述耦合透镜的焦点处设置有第一耦合光纤，所述第一耦合光纤的出光口设置于激光发射望远镜的焦点处，所述发射望远镜的前端设有一个具有透射反射功能的平面镜，从具有透射反射功能的平面镜反射的部分激光被设置于发射望远镜焦点处的光电二极管接收，所述光电二极管将接收到的信号输入到门控，门控输出触发信号至计算机和采集卡；所述接收光学系统包括有接收望远镜、第二耦合光纤、光电探测器、信号放大器，所述接收望远镜前端设有滤光片，焦点处设置有第二耦合光纤，激光经散射回来经接收望远镜接收后，由第二耦合光纤从接收望远镜的焦点处将激光传送到光电探测器，所述光电探测器的信号输入放大器放大后再接入计算机；所述信号采集控制系统包括有AD采集卡、计算机及门控系统，所述AD采集卡与计算机采用堆叠式连接，由接收望远镜接收到的激光信号经光电探测器检测和放大器放大后，由AD采集卡进行采样、AD转换，再送入计算机进行数据分析等处理，所述计算机通过输出电压控制信号到激光器控制激光器发射激光的脉宽和能量，所述AD采集卡和计算机均由门控系统触发。

2、半导体激光雷达能见度探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、设置一个发射望远镜，将半导体激光器的出射激光经过耦合透镜后，由光纤输送到发射望远镜发射光束，发射光束方向可水平或斜向任意调节，连续发射；部分发射光经反射由光电二极管接收，光电二极管接收后输出信号给门控系统作为控制触发信号；

(2)、通过接收望远镜接收大气后向散射信号，将采集到的后向散射信号进行累计叠加取平均，扣除背景噪声即可得到所需的激光后向散射信号；

(3)、根据Fernald消光系数反演理论，采用一种稳定的消光系数迭代方法对步骤(2)中获得的后向散射信号进行迭代处理，得到激光传输路径上各点大气消光系数，将各点消光系数平均后得到的大气平均消光系数代入能见度公式即可得到能见度值：

大气气溶胶消光系数可以由以下公式求得：

${\mathrm{\σ}}_a\left(R\right)=\frac{X\left(R\right)\exp [-2(S_a-S_m){\∫}_R^{R_m}{\mathrm{\β}}_m\left(r\right)\mathrm{dr}]}{\frac{X\left(R_m\right)}{{\mathrm{\σ}}_a\left(R_m\right)+S_a/S_m{\mathrm{\σ}}_m\left(R_m\right)}+2{\∫}_R^{R_m}X\left(R\right)\exp [-2(S_a-S_m){\∫}_R^{R_m}{\mathrm{\β}}_m\left(r^{\′}\right){\mathrm{dr}}^{\′}]}-\frac{S_a}{S_m}{\mathrm{\σ}}_m\left(R\right)$

其中，X(R)为距离修正信号，由公式X(R)＝P(R)R²/Y(R)求得，其中P(R)为激光雷达接收到的信号功率，Y(R)为激光雷达系统的几何重叠因子，R为探测距离，S_a、Sm分别为大气气溶胶的消光-后向散射比和大气分子的消光-后向散射比，β_a(R)与β_m(R)分别是大气气溶胶和大气分子的后向散射系数，均为常数，为σ_a(Rm)代表测量距离(含有噪声)末端的气溶胶消光系数估计值，Rm为最大探测距离；

大气分子消光系数可以由以下公式求得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_m(z,\mathrm{\λ})=1.54\×{10}^{-3}\exp (-\frac{z}{7}){\left(\frac{532}{\mathrm{\λ}}\right)}^4\\ {\mathrm{\σ}}_m(z,\mathrm{\λ})={\mathrm{\β}}_m(z,\mathrm{\λ})\frac{8}{3}\mathrm{\π}\end{array}\right.$

其中，λ为激光波长；

分别求得大气气溶胶和大气分子的消光系数后，可以知道总的消光系数：

σ＝σ_a+σ_m

将总的消光系数代入公式 $\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{3.91}{V}{\left(\frac{550}{\mathrm{\λ}}\right)}^{0.585V^{\frac{1}{3}}}$ (λ为激光波长)，就可以得到能见度值，由于这里的消光系数为激光传输路径上各点消光系数平均值，所以得到的能见度值也为整层路径平均能见度值；

(4)、系统设定固定时间间隔重复步骤(1)、(2)、(3)，就可以进行连续自动测量，得到被测量地区不同时间段内的能见度。

(5)、如果需要测量不同角度方向的能见度，只需在系统参数中更改所需角度方向的信息，就可以连续自动测量所需方向的能见度值。

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