CN102435585A

CN102435585A - 近红外激光车载雨雾探测系统

Info

Publication number: CN102435585A
Application number: CN2011103538972A
Authority: CN
Inventors: 谢天鸽
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-10
Filing date: 2011-11-10
Publication date: 2012-05-02

Abstract

一种近红外激光车载雨雾探测系统，属于监测技术领域，采用发射器和接收器构成，发射器包括激光器，接收器包括聚焦透镜、光电探测器、信号放大电路和处理显示器，在激光器前端装有扩束器，在聚焦透镜与光电探测器之间安装有视场光阑，视场光阑与光电探测器之间安装有窄带滤光片，窄带滤光片中心波长与激光器工作波段对应。本发明采用激光大气后向散射探测技术，实现车辆在行驶中对突发雨、雾等恶劣天气环境变化的自动告警。

Description

近红外激光车载雨雾探测系统

技术领域

本发明属于监测技术领域，涉及一种对雨雾的探测系统。

背景技术

车辆在行驶过程当中，遭遇突发雨、雾等恶劣气候环境时，由于大气透过率较低，人眼或其他被动成像探测设备均无法发挥作用，驾驶员不能提前预知前方雨、雾环境，导致车祸事件的发生机率大幅上升。

激光通过大气传输，在经过的区域内由于存在大量大气悬浮粒子，会对激光进行散射，接受系统接收大气的透射或后向散射激光能量，就可以根据接收能量的强弱反映不同气候条件下的大气能见度变化。根据结构形式可分为透射式和反射式两类系统。

常用仪器大都采用透射式原理，它检测的是光波因大气微粒的消光衰减的光强。其优点是采样体积大、在雾滴引起的能见度条件下测量结果较为准确。但是仪器占地面积大，需要经常维护，发射与接收装置距离远，发射端一侧无法及时得知探测结果，并且不能在移动条件下探测，局限性很大。

反射式系统将发射和接收端组合在一个系统内，接收端接收经探测目标反射或散射返回的回波信号，使透射仪器转变成单端收发方式，该方式也称为“折叠基线式”或“单端式”。反射式系统体积小，结构简单，实时反映探测结果，有利于车载应用。

反射式激光发射接收系统由发射器和接收器构成，发射器包括激光器，接收器包括聚焦透镜、光电探测器、信号放大电路和处理显示器。

如激光气象雷达是典型的反射式结构，可以探测大气的后向散射信号，测量大气能见度变化。但激光气象雷达的激光发射功率高，接收系统复杂，制造成本极高；由于系统体积大、重量重，不能应用于普通车辆移动探测，只能由特种车辆运输至某一特定地点固定探测；并且激光气象雷达对远近距离的散射回波信号同时响应，不能滤除近处目标的散射干扰，无法应用于复杂路况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种近红外激光车载雨雾探测系统。

本发明解决技术问题的方案是采用发射器和接收器构成，发射器包括激光器，接收器包括聚焦透镜、光电探测器、信号放大电路和处理显示器，激光器为半导体激光器，工作波段为808nm、880nm、940nm或980nm，功率为1W，发散角1.5mrad，激光器由频率调制器控制，频率调制器能够使激光器的发射频率被调制在50Hz-30kHz之间，在激光器前端装有扩束器，扩束器为8-16倍扩束光学系统，在聚焦透镜与光电探测器之间安装有视场光阑，视场光阑在聚焦透镜的焦点处，视场光阑与光电探测器之间安装有窄带滤光片，窄带滤光片中心波长与激光器工作波段对应，光电探测器为硅二极管探测器，信号放大电路采用与激光器频率调制器相同频率的调制放大电路，发射器和接收器同一方向并排放置，视场光阑限制的光学系统视场角为ω，探测距离和视场角有如下关系：tan(ω/2)＝D/L，其中D是发射器和接收器的横向距离，L是起始探测距离。

为了防止前方车辆的反射光直接进入接收系统，将发射器和接收器的前端向上倾斜一定角度θ，可得到如下关系：tan(θ)＝H/S，S是距前车距离，H是前车高度。

工作时，发射器发出激光，反射回接收器，为了实现远距离探测的目的，要求激光器功率较大、发散角较小，考虑到车载应用环境，采用体积紧凑、性能稳定的半导体激光器，工作波段980nm，功率为1W，发散角1.5mrad。弱光探测器接收激光的大气后向散射将光信号转化为电信号，弱光探测器接收的光子数较少，产生的电信号较弱，需要对电信号进行放大，再输出到数据采集系统进行阈值标定，通过阈值标定，反应不同气候状况对后向散射回波的影响，来判定前方行驶环境的恶劣程度。

由于车载探测的特殊应用环境，要求激光光束单位面积能量低于人眼安全阈值，激光器发出的光束口径较小，在激光器后加入8-16倍扩束光学系统，增大光束口径，减小单位面积能量，使其低于人眼安全阈值。

弱光探测器感光面积有限，为了收集更多信号光能量，在探测器前放置聚焦光学系统，将探测器感光面置于聚焦光学系统焦点附近，大大提高了弱光探测器的探测能力。

弱光探测器感光波段为500nm～1100nm，太阳光谱中这些波长的光线都能够被探测器收集，这些非信号光会干扰雨雾探测器的探测结果。在聚焦光学系统中加入中心波长980nm的窄带滤光片滤除太阳光谱中除980nm外其他波段的干扰，但仍存在太阳光谱980nm波长光线产生的噪声。为了区分信号光与噪声光，对发射激光进行调制，调制频率20kHz，同时接收系统放大电路采用调制放大，调制频率与激光器调制频率相同，即只对发射激光在大气中的后向散射信号放大，避免太阳光谱干扰。

发射激光打在近处车辆、树木等物体上产生的散射信号被接收系统接收会造成系统的误警，如何解决这一问题是车载雨雾探测的难点。本专利采用分立式交角测量探测技术，解决了这一技术难题，具体实现方法为：发射端与接收端分别位于车身两侧；发射端激光束发散角为1.5mrad，根据扩束原理，发散角与光束扩束口径成反比，经10倍扩束器扩束后，发散角为0.15mrad，可以近似为平行光束发射；接收端光学系统视场较小，发射激光与光学系统视场交汇区域距离汽车为50m，由于只有交汇区域内的回波信号才能用被接收端采集，因此，交汇区域外到车头位置的50m范围内的所有虚警信号回波将被有效屏蔽。同时这个系统采用一定仰角的斜程收发，避免由于近距离目标高强度回波所引起的虚警。以此来实现50m-500m的有效探测距离。由于该产品对工作条件要求较低且成本低廉，适用于装备中高档轿车及大型运输车辆，可有效降低交通事故发生机率，有效保护国家及人民财产安全。

本发明提出了一套车载雨雾探测系统，采用激光大气后向散射探测技术，实现车辆在行驶中对突发雨、雾等恶劣天气环境变化的自动告警，根据激光大气光学传输理论，选取对其他驾驶者无干扰、大气透过率较高的近红外波段激光器作为主动探测源，并利用性能稳定、成本较低的硅光电二极管作为弱光探测器，对激光大气后向散射信号进行探测，性能安全可靠。

附图说明

图1为分立式交角测量原理图；

图2为扩束器剖视图；

图3为接收系统剖视图；

图4为斜程探测示意图。

具体实施方式

例1、本发明系统由发射器1和接收器2构成，发射器1包括激光器，接收器2包括光学系统镜筒7、聚焦透镜8、光电探测器9、信号放大电路10和处理显示器11，激光器为半导体激光器，工作波段为808nm，功率为1W，发散角1.5mrad，激光器连接有频率调制器，频率调制器使激光器被调制为30kHz，在激光器前端的发射器1上装有扩束器3，扩束器3为10倍扩束光学系统，在聚焦透镜8与光电探测器9之间安装有视场光阑5，视场光阑5在聚焦透镜8的焦点处，视场光阑5与光电探测器9之间安装有窄带滤光片6，窄带滤光片6中心波长为808nm，光电探测器9为硅二极管探测器，信号放大电路10有与频率调制器对应频率的解调器，发射器1和接收器2同一方向并排放置，发射器1和接收器2分别安装在汽车左前大灯和右前大灯内，起始探测距离为50m，视场光阑5限制的光学系统视场角为4.1°，发射器1和接收器2的前端向上倾斜角度为5.7°。

例2、本发明系统由发射器1和接收器2构成，发射器1包括激光器，接收器2包括光学系统镜筒7、聚焦透镜8、光电探测器9、信号放大电路10和处理显示器11，激光器为半导体激光器，工作波段为980nm，功率为1W，发散角1.5mrad，激光器连接有频率调制器，频率调制器使激光器被调制为20kHz，在激光器前端的发射器1上装有扩束器3，扩束器3为16倍扩束光学系统，在聚焦透镜8与光电探测器9之间安装有视场光阑5，视场光阑5在聚焦透镜8的焦点处，视场光阑5与光电探测器9之间安装有窄带滤光片6，窄带滤光片6中心波长为980nm，光电探测器9为硅二极管探测器，信号放大电路10有与频率调制器对应频率的解调器，发射器1和接收器2同一方向并排放置，发射器1和接收器2分别安装在汽车左前侧和右前侧，起始探测距离为100m，视场光阑5限制的光学系统视场角为2.1°，发射器1和接收器2的前端向上倾斜角度为5°。

例3、本发明系统由发射器1和接收器2构成，发射器1包括激光器，接收器2包括光学系统镜筒7、聚焦透镜8、光电探测器9、信号放大电路10和处理显示器11，激光器为半导体激光器，工作波段为880nm，功率为1W，发散角1.5mrad，激光器连接有频率调制器，频率调制器使激光器被调制为50Hz，在激光器前端的发射器1上装有扩束器3，扩束器3为8倍扩束光学系统，在聚焦透镜8与光电探测器9之间安装有视场光阑5，视场光阑5在聚焦透镜8的焦点处，视场光阑5与光电探测器9之间安装有窄带滤光片6，窄带滤光片6中心波长为880nm，光电探测器9为硅二极管探测器，信号放大电路10有与频率调制器对应频率的解调器，发射器1和接收器2同一方向并排放置，发射器1和接收器2分别安装在汽车左前大灯和右前大灯内，起始探测距离为150m，视场光阑5限制的光学系统视场角为1.4°，发射器1和接收器2的前端向上倾斜角度为5.7°。

Claims

1.一种近红外激光车载雨雾探测系统，由发射器和接收器构成，发射器包括激光器，接收器包括聚焦透镜、光电探测器、信号放大电路和处理显示器，其特征在于：激光器为半导体激光器，工作波段为808nm、880nm、940nm或980nm，功率为1W，发散角1.5mrad，激光器由频率调制器控制，频率调制器使激光器的发射频率被调制在50Hz-30kHz之间，在激光器前端装有扩束器，扩束器为8-16倍扩束光学系统，在聚焦透镜与光电探测器之间安装有视场光阑，视场光阑在聚焦透镜的焦点处，视场光阑与光电探测器之间安装有窄带滤光片，窄带滤光片中心波长与激光器工作波段对应，光电探测器为硅二极管探测器，信号放大电路采用与激光器频率调制器相同频率的调制放大电路，发射器和接收器同一方向并排放置，视场光阑限制的光学系统视场角为ω，探测距离和视场角有如下关系：tan(ω/2)＝D/L，其中D是发射器和接收器的横向距离，L是起始探测距离。

2.根据权利要求1所述的近红外激光车载雨雾探测系统，其特征在于：激光器工作波段为980nm。

3.根据权利要求1所述的近红外激光车载雨雾探测系统，其特征在于：频率调制器使激光器的发射频率被调制为20kHz。

4.根据权利要求1所述的近红外激光车载雨雾探测系统，其特征在于：扩束器为10倍扩束光学系统。

5.根据权利要求1所述的近红外激光车载雨雾探测系统，其特征在于：发射器和接收器的前端向上倾斜一定角度θ，其中tan(θ)＝H/S，S是距前车距离，H是前车高度。