CN101692307A - 高速公路团雾实时监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路团雾实时监测仪，其特征是具有一激光发射/接收模块，由激光器的输出光束在经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号通过由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号；一探测器及信号采集模块，是由单光子光电探测器、光子计数器、嵌入式工控机和总线转换器构成；另有激光器驱动及时序控制模块。本发明可在白天、夜晚及各种恶劣条件下全天候工作，监控范围大，实现对团雾的实时监控，其数据传输便捷、体积小、功耗低，适宜在高速公路上全线安装布施。

Description

高速公路团雾实时监测仪

技术领域

本发明涉及高速公路行车安全监测预警装置，更具体地说是一种针对高速公路突发性团雾的实时监测仪器。

背景技术

团雾是局部微大气环境出现突变而形成的，是在数十米到上百米的局部范围内出现的雾。一般出现在地势低洼、空气湿度大的地区，与局部小气候环境关系密切。在空气湿度比较大，昼夜温差大的季节，白天水份蒸发到空中，晚上气温下降后，空气中的水蒸气极易凝结形成团雾。

我国大部分地区地处温带与亚热带地区，气侯温暖湿润，“五纵七横”贯穿其中的国家高速公路网目前已实现通车总里程达6.03万公里，高速公路经过的区域地理、气象特征具有多样性，再加上高速公路铺装路面白天在太阳曝晒下温度很高、昼夜温差更大，这就导致团雾频频光顾高速公路。团雾的产生具有偶发性、区域性的特点，而现有的气象监测手段只能预报大范围雾的发生，无法实现针对团雾这种区域性突发小气象条件的预报与预警，因此，车辆在高速公路上行驶时难以提前得到警示，往往造成驶入“团雾”区域内根本来不及减速，当他们以高速行驶到团雾中时，能见度陡然降低，猛然视线受阻，往往盲目减速造成后车追尾，常常酿成重大交通事故。

目前，我国高速公路上虽然安装了一些能见度监测设备，但其在测量中以相对较小空间样本的取样，反演区域尺度能见度，难以反映长尺度区域能见度的“真实状况”，特别是无法实时监测团雾这种能见度低，势力范围比较小的局部小气候环境特征，很难推广使用。

发明内容

本发明是为解决上述现有技术对高速公路团雾实时监测手段的不足，提供一种高速公路团雾实时监测仪，实现全天候、实时自动监测团雾的发生，为高速公路管理部门解决团雾对行车安全的影响提供决策和应急指挥的技术手段。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明高速公路团雾实时监测仪的结构特点是所述监测仪具有：

一激光发射/接收模块，是由激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和窄带滤光片构成；所述激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号通过由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号；

一探测器及信号采集模块，是由单光子光电探测器、光子计数器、嵌入式工控机和总线转换器构成；激光发射/接收模块中窄带滤光片的输出光检测信号聚焦在单光子光电探测器的光敏面上，经光电信号转换获得电检测信号；所述电检测信号在光子计数器中进行数字计数；计数结果通过USB总线存储到嵌入式工控机中，并在所述嵌入式工控机中进行数据处理，数据处理信号通过总线转换器传递至高速公路光纤网；

一激光器驱动及时序控制模块，是由激光器驱动电路和时序控制电路构成；由所述时序控制电路产生激光器工作所需的脉冲序列，并经激光器驱动电路驱动激光器工作；时序控制电路同时产生单光子光电探测器的工作门控信号及光子计数器的采集控制信号，并通过数据线控制单光子光电探测器及光子计数器按时间序列采集信号。

本发明高速公路团雾实时监测仪的结构特点也在于：

所述激光发射/接收模块中的激光器采用微宝石Nd:YAG激光器，发射波长为532nm；所述发射光学镜头和接收光学镜头采用分置离轴的结构形式。

所述发射光学镜头口径为20mm，接收光学镜头口径为30mm。

所述探测器及信号采集模块中采用基于脉冲甄别的单光子光电探测器和基于数字计数的光子计数器。

所述激光器驱动及时序控制模块中时序控制电路采用CPLD器件。

本发明利用激光器发出光束，光束在大气信道中传输，由于大气中分子和微粒对光束的散射和吸收作用，信号接收器接收到的光信号会发生衰减，按时间序列采集激光回波信号，通过逐点反演大气的水平能见度，判别能见度有无突变，并结合光束在传播路径上遇见团雾时因大气中的气溶胶粒子散射效应显著增强，接收光学系统接收信号能量将会突然增强，但随后随着光束进入团雾后总体衰减效应的加大，回波信号将急剧衰减的特点，通过对回波信号的全程波形采集分析共同得出团雾的具体位置。

本发明通过对激光测程上回波信号的按时间序列的采集，计算出每个采样点的能见度值，这样便可以根据能见度值的变化规律结合回波信号模拟特征判别测程上有无团雾及团雾的位置信息。

本发明中能见度的计算方法如下：

根据Koschmieder定律，大气水平能见度定义为当辐射在传输过程中衰减为光源的2％时对应的传播距离，即：

η＝e^-σV    (1)

式中：η为视觉反应阈值；

σ为大气消光系数；

V为能见度，是人眼将目标从背景中区别出来的最小亮度对比(0.02)；

对(1)式求导可得：

$V=-\frac{\ln \left(\mathrm{\η}\right)}{\mathrm{\σ}}=-\frac{\ln \left(0.02\right)}{\mathrm{\σ}}\≈\frac{3.912}{\mathrm{\σ}}---\left(2\right)$

Koschmieder公式是针对人眼感觉的光波(白光)而言的，作为近似，可以用人眼最敏感的绿光(λ＝0.55μm)的衰减系数来代替白光的衰减系数，对于其他波长应作如下订正：

$V=\frac{3.912}{\mathrm{\σ}}{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{0.55}\right)}^q---\left(3\right)$

其中，V的单位为km，波长λ以μm计。

式(3)中系数q由以下经验公式决定

$q=\left\{\begin{array}{cc}0.585V^{\frac{1}{3}}& V<6\mathrm{km}\\ 1.3& 6\mathrm{km}\&le;V<50\mathrm{km}\\ 1.6& V\&GreaterEqual;50\mathrm{km}\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过上述公式可以看出能见度V只与大气的消光系数有关，且不随白天或黑夜而变化。消光系数与激光回波能量成正比关系，通过对激光回波能量的测量反演大气的消光系数，从而计算出大气能见度。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明监控范围大，可实现对团雾的实时监控

本发明采用激光探测方法，探测器及信号采集模块的设置，极大地提高了仪器的探测灵敏度，为大范围监控、长尺度监测团雾的发生提供了可能。本发明可测范围达30m～2000m；通过激光器连续脉冲的发射，监测回波信号，反演计算可实现对团雾的实时监控，高速嵌入式工控机的应用，使每5分钟内即可输出一组测量信息。

2、本发明针对高速公路数据传输要求，嵌入式工控机采用串行数据输出，数据交换便捷。

3、本发明扩展性强，通过在嵌入式工控机中配备多个数据接口，包括USB接口、串行口，加上其自身运算处理能力强，可扩展控制多个对象，极大地提高了系统的可拓展性。

4、本发明采用模块化设计，结构紧凑，体积小、功耗低，配合设置太阳能供电系统，适宜在高速公路上全线布点。

5、本发明采用激光探测方法，通过配备温控电路、气动吹扫机构，可不受任何气象条件限制，实现全天候实时监测。

附图说明

图1为本发明仪器的系统基本组成框图。

图2为本发明中激光发射/接收模块结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明系统组成包括激光学发射/接收模块、探测器及信号采集模块、激光器驱动及时序控制模块，其中：

激光发射/接收模块包括有激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和窄带滤光片；激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号。

激光器输出光束经发射光学镜头做光学准直、扩束处理，以改善激光的准直度，降低发散角，在使发射镜头的激光光斑能量分布更加均匀的同时，仪器可获得理想的长程测量效果；小孔光阑放置在接收光学镜头汇聚光的焦平面前；为降低来自太阳光的散射和背景辐射等带来的背景光噪声，提高仪器接收信噪比，经接收光学镜头汇聚的光信号通过窄带滤光片以滤除激光工作波长以外的背景光，在确保窄带滤光片光学透过率的前提下，滤光片带宽应尽量窄；激光发射/接收模块中发射光学镜头和接收光学镜头采用分置离轴的结构形式，激光发射/接收模块整体安装在一个有平整度要求的基板上。

具体实施中，激光器采用微宝石Nd:YAG激光器，单脉冲发射能量为1μJ，发射波长为532nm，发射光学镜头口径为20mm，经发射光学镜头后，激光发散角为0.1mrad；接收光学镜头口径为30mm，小孔光阑孔径为0.2mm，窄带滤光片带宽为1nm。

探测器及信号采集模块包括单光子光电探测器、光子计数器、嵌入式工控机和总线转换器；激光发射/接收模块中经窄带滤光片的输出光检测信号聚焦在单光子光电探测器光敏面上，经光电信号转换获得电检测信号，电检测信号在光子计数器中进行数字计数；数字计数的结果通过USB总线存储到嵌入式工控机中，并在嵌入式工控机中进行数据的反演、处理，数据处理的结果通过总线转换器与高速公路光纤网连接。

具体实施中，单光子光电探测器采用日本Perkin-Elmer公司的单光子探测器，光子计数器采用国产KU01单路USB接口模块，这一结构设置是采用脉冲甄别和数字计数，可实现将极其微弱的信号识别并提取出来，提高信号测量结果的信噪比，输出的数字信号，适合与计算机接口连接，以便进一步进行数字数据处理；嵌入式工控机采用研华公司的ARK3370；总线控制器为RS232/485转换器。

激光器驱动及时序控制模块包括激光器驱动电路及时序控制电路。时序控制电路产生激光器工作所需的脉冲序列，经激光器驱动电路驱动激光器工作；时序控制电路同时产生单光子光电探测器的工作门控信号及光子计数器的采集控制信号，通过数据线控制单光子光电探测器及光子计数器按时间序列采集信号；

具体实施中，激光器驱动电路对时序控制电路产生的脉冲序列进行处理，使其达到满足驱动激光器工作的要求：脉冲为TTL电平。其中上升沿≤20ns(幅度10％～90％)，且在幅度≤1V，上升时间≤5n。时序控制电路采用CPLD器件GAL22V10预以实现，基于ABEL硬件描述语言合理设计时序控制方案。该技术路线可先通过计算机进行仿真，再实际投人使用，降低了设计风险性，同时该方案跟分立元件设计相比，具有速度快、容量大、功耗小、集成度高、可靠性强等优点。

本实施例中的各组成部分封装在一个密闭的壳体中，在其壳体上开有一个玻璃窗体，为发射及接收光学信号提供通道。

具体实施中，激光发射/接收模块结构示意如图2所示，Nd:YAG激光器1发出光经发射光学镜头2射出，回波信号通过接收光学镜头4接收。发射光学镜头2与接收光学镜头4是采用分置离轴的方式布设，模块整体平行安装在一个平整度要求为50微米以内的基板8上。正对着激光发射光学镜头2和接收光学镜头4，在封装壳体上开有玻璃窗体3，保障光路的畅通。激光接收镜头4接收到的光束经小孔光阑5，并通过窄带滤光片6除去背景光的信号干扰汇聚到单光子光电探测器7上。

图1示出，具体实施中，设置系统辅助单元，由气动吹扫机构、温/湿度采集电路、控制电路和太阳能供电模块，其中：

气动吹扫机构由微型真空泵在壳体外部对其玻璃窗体外进行吹气，防止玻璃窗体3上附着水滴、雾气及灰尘。

温/湿度采集电路及控制电路是由温度传感器、湿度传感器、半导体制冷器、单片机及外围电路组成。以单片机控制温度传感器和湿度传感器分别采集本监测仪内部及外部温度和湿度信息，并根据仪器内部温度信息启动温控电路进行相应的加热或制冷，保证激光器及单光子光电探测器具有一个恒定的工作温度。单片机通过RS232串口与嵌入式工控机连接，将温度传感器、湿度传感器采集到的信息发送给嵌入式工控机。

太阳能供电模块包括有太阳能电池板、蓄电池及DC/DC转换器，其中DC/DC转换器把蓄电池输出的24V电压转换成监测仪供电电压12V。

本发明控制方式按如下步骤进行：

激光器通过光学发射镜头发出激光，经接收光学镜头接收大气散射信号，接收光学信号经小孔光阑、窄带滤光片做光学信号处理；

通过探测器及信号采集模块进行光学-电学信号转换、采集及处理，计算出团雾信息并通过总线转换器送至高速公路光纤网；

通过激光器驱动及时序控制模块产生激光器驱动脉冲和探测器及信号采集模块所需的各种控制信号。

Claims (5)

1.高速公路团雾实时监测仪，其特征是所述监测仪具有：

一激光发射/接收模块，是由激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和窄带滤光片构成；所述激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号通过由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号；

一探测器及信号采集模块，是由单光子光电探测器、光子计数器、嵌入式工控机和总线转换器构成；激光发射/接收模块中窄带滤光片的输出光检测信号聚焦在单光子光电探测器的光敏面上，经光电信号转换获得电检测信号；所述电检测信号在光子计数器中进行数字计数；计数结果通过USB总线存储到嵌入式工控机中，并在所述嵌入式工控机中进行数据处理，数据处理信号通过总线转换器传递至高速公路光纤网；

一激光器驱动及时序控制模块，是由激光器驱动电路和时序控制电路构成；由所述时序控制电路产生激光器工作所需的脉冲序列，并经激光器驱动电路驱动激光器工作；时序控制电路同时产生单光子光电探测器的工作门控信号及光子计数器的采集控制信号，并通过数据线控制单光子光电探测器及光子计数器按时间序列采集信号。

2.根据权利要求1所述的高速公路团雾实时监测仪，其特征是所述激光发射/接收模块中的激光器采用微宝石Nd:YAG激光器，发射波长为532nm；所述发射光学镜头和接收光学镜头采用分置离轴的结构形式。

3.根据权利要求2所述的高速公路团雾实时监测仪，其特征是所述发射光学镜头口径为20mm，接收光学镜头口径为30mm。

4.根据权利要求1所述的高速公路团雾实时监测仪，其特征是所述探测器及信号采集模块中采用基于脉冲甄别的单光子光电探测器和基于数字计数的光子计数器。

5.根据权利要求1所述的高速公路团雾实时监测仪，其特征是所述激光器驱动及时序控制模块中时序控制电路采用CPLD器件。

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