CN104422933A - 多层云实时测距装置及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多层云实时测距装置及其测距方法。多层云实时测距装置包括激光扩束整形系统、红外激光二极管、信号识别计时器、系统控制模块、光电探测器、后继光路、小孔光栏、接收望远镜；激光扩束整形系统设在红外激光二极管前方，红外激光二极管连接到信号识别计时器；信号识别计时器与光电探测器连接，光电探测器与后继光路连接，后继光路前方依次设有小孔光栏和接收望远镜；激光扩束整形系统由复数块可调节透镜组合而成；系统控制模块包括用于与上位计算机连接的通讯接口。本发明采用高效的光学发射接收系统以及简洁的低成本测距识别电路，实现多层云底高度的测量，其可自动无人值守的全天候工作。

Description

多层云实时测距装置及其测距方法

技术领域

本发明涉及一种多层云实时测距装置及其测距方法。

背景技术

用于云底高度测量的仪器常使用测距原理和米散射激光雷达遥感等原理。

使用测距原理的仪器有云幕灯、激光测距云高仪等，云幕灯的测量精度太低所以现在基本上不再使用，激光测距云高仪采用发射激光脉冲到云层上，并记录发射时间和由云底反射回的光脉冲信号的时间，通过时间推算距离，由于采取的结构、使用的光源在大气中的穿透能力不强，同时探测单元的接收能力不高，一般白天只有1-2千米，而夜间也只有8千米，且采取计时的技术路线是只记一次，所以这两种实现途径都只能测量一个单一的目标，即只能探测离测量仪器最近的一层云底高，如果是多层云则不能测量。

米散射激光雷达遥感测原理：测量云高是探测激光脉冲在大气中不同高度的后向散射信号，云是强散射信号，所以通过算法就能够得到云底信息，由于激光雷达采取的结构和单元器件参数其探测能力强，可以获取十几到几十千米的大气信息，所以多层云信息也同时获得。但该技术不仅需要保证激光的穿透和探测能力还需要对大气分层测量，造成采取的单元器件成本高，同时为保证仪器的野外使用性能采取了较多的保护措施，因此总体造价相对较高，在精度上不仅取决于硬件系统的构成还取决于算法的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多层云实时测距装置。

本发明要解决的另外一个技术问题是提供一种多层云实时测距方法。

对于多层云实时测距装置，本发明采用的技术方案是：包括激光扩束整形系统、红外激光二极管、信号识别计时器、系统控制模块、光电探测器、后继光路、小孔光栏、接收望远镜；激光扩束整形系统设在红外激光二极管前方，红外激光二极管连接到信号识别计时器；信号识别计时器与光电探测器连接，光电探测器与后继光路连接，后继光路前方依次设有小孔光栏和接收望远镜；激光扩束整形系统由复数块可调节透镜组合而成；系统控制模块包括用于与上位计算机连接的通讯接口。

作为优选，接收望远镜为透射式组合镜或折返式望远镜。

作为优选，后继光路包括光学透镜、准直透镜、光学滤光片。

对于多层云实时测距方法，本发明采用的技术方案是：包括以下步骤：

（1）系统控制模块控制红外激光二极管发射一发激光脉冲后，经过优化设计的光学扩束系统整形进入大气；

（2）大气的后向散射信号由望远镜系统接收，通过小孔光栏和后继光路到达光电探测器，由光电探测器将光信号转换为电信号，再进入信号识别计时器进行信号的识别与计时，根据时间信息输出云底高度；

（3）在输出激光脉冲的同时将同步信号发送到信号识别计时器作为计时起始信息，当遇有云层时，回波信号会突然增强，相对于无云信号形成一个脉冲，识别计时器首先需要将该信号识别出，如果是一有效脉冲信号则记录，同时将调整脉冲信号识别阈值等待下一脉冲的到来；所有记录信息和脉冲识别阈值调整均有系统控制模块完成；控制模块还需要承担激光脉冲输出的控制和整体系统温控的调节功能，以适应野外全天候工作，同时有通讯接口提供云层信息到上位计算机。

作为优选，步骤（1）中系统控制模块作用是：

控制、协调包括红外激光二极管、光电探测器、信号识别计时器各单元器件动作，以及控制温度、湿度保护器件的动作；

实现与上位机的通信，包括工作方式的设置和信息输出。

作为优选，步骤（3）中信号识别计时器用于连续识别脉冲信号，并记录各自距起始时刻的时间，具体包括以下任务：

可以自动调整识别阈值，当激光能量在大气传输中消耗时，随着时间和云层数的增多，信号识别单元会自动调整信号识别的阈值，以实现每层云的探测；

可以多次计时，只要有云信号的出现，即从光电管有模拟信号输出，在信号识别后转换为脉冲信号，该脉冲信号即可触发计时器记录时间，只要在同一激光脉冲内，有几次就记录几次时间信息。

本发明采用了米散射激光雷达和普通测距相结合的原理。具体的说是采取能在大气中具有高穿透和收集能力的激光发射接收结构，采用红外激光二极管和优化的光束扩束装置，使光具备强的穿透能力，信号接收采用高接收效率的接收系统和高灵敏度的光电探测器，使得系统具备探测大气回波信号的能力。信号的识别采用高速自动调整阈值的识别连续计时的识别计时器，具备同时记录多个时间点的功能。当有云时，光电探测器输出信号的幅度会突然增大，计时器会记录下自激光脉冲发射至信号增强的时间，由该时间乘以光速即可得到光从发射装置到云处的往返距离，该距离的一半即为云底高度。不同高度云的回波信号在幅度上会有所不同，因此识别计时器的动作还具有有电平门限阈值自动识别功能，从而识别不同幅值目标回波脉冲信号，实现多层云底高度测量。

本发明的技术方案包括以下两项关键点：

1）采用了高效的光学发射接收系统和简洁的低成本测距识别电路，可以探测多层云底高度信息。首先是具备探测大气气溶胶及大气分子的能力，这使得系统能够探测十几公里的云，其次是利用云回波信号的脉冲特点，直接输入到信号识别计时器，能够以高时间精确记录云信号。

2）采用了优化设计的识别计时器，具备自动调整识别云信号阈值和多次记录计时的功能，实现多层云的探测。

该装置实现多层云底高度的测量，实现自动无人值守的全天候工作。可用于气象、环保、机场及科研单位的云底高度及云层的测量。

本发明的有益效果是：

采用高效的光学发射接收系统以及简洁的低成本测距识别电路，实现多层云底高度的测量，其可自动无人值守的全天候工作，适用于气象、环保、机场及科研单位对云底高度及云层的测量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明多层云实时测距装置实施例的结构示意图。

图中，1-激光扩束整形系统，2-红外激光二极管，3-信号识别计时器，4-系统控制模块，5-光电探测器，6-后继光路，7-小孔光栏，8-接收望远镜。

具体实施方式

图1是多层云实时测距装置，由激光扩束整形系统1、红外激光二极管2、信号识别计时器3、系统控制模块4、光电探测器5、后继光路6、小孔光栏7、接收望远镜8组成。

激光扩束整形系统1设在红外激光二极管2前方，红外激光二极管2连接到信号识别计时器3。信号识别计时器3与光电探测器5连接，光电探测器5与后继光路6连接，后继光路6前方依次设有小孔光栏7和接收望远镜8。激光扩束整形系统1由复数块可调节透镜组合而成。系统控制模块4包括用于与上位计算机连接的通讯接口。

工作过程：

系统控制模块4控制红外激光二极管2发射一发激光脉冲后，经过优化设计的激光扩束整形系统1整形进入大气，大气的后向散射信号由接收望远镜8接收，通过小孔光栏7和后继光路6到达光电探测器5，由光电探测器将光信号转换为电信号，再进入信号识别计时器3进行信号的识别与计时，根据时间信息输出云底高度的数据。红外激光二极管2在输出激光脉冲的同时将同步信号发送到信号识别计时器3作为计时起始信息，当遇有云层时，回波信号会突然增强，相对于无云信号形成一个脉冲，识别计时器首先需要将该信号识别出，如果是一有效脉冲信号则记录，同时将调整脉冲信号识别阈值等待下一脉冲的到来。所有记录信息和脉冲识别阈值调整均由系统控制模块4完成。系统控制模块4还承担激光脉冲输出的控制和整体系统温温度控制的调节功能，以适应野外全天候工作，同时有通讯接口提供云层信息到上位计算机。

激光扩束整形系统1由多块可调节透镜组成，可适应不同激光二极管的参数，使得最终发射的激光束达到使用要求，即在最短的距离内可以落到接收视场内，同时又具备足够的穿透能力。

接收望远镜8系统由透射式组合镜构成，也可以由折返式望远镜构成。

后继光路6包括光学透镜，准直透镜，光学滤光片等一系列光学调整及背景滤光。起到抑制背景，提高信号的信噪比作用。

信号识别计时器3是为多层云实时测距装置设计的专用电路系统，具备连续识别脉冲信号的功能，并记录各自距起始时刻的时间。其关键之一在于可以自动调整识别阈值，当激光能量在大气传输中消耗时，随着时间和云层数的增多，信号识别单元会自动调整信号识别的阈值，以实现每层云的探测。其次，可以多次计时，只要有云信号的出现，即从光电管有模拟信号输出，在信号识别后转换为脉冲信号，该脉冲信号即可触发计时器记录时间，只要在同一激光脉冲内，有几次就记录几次时间信息。

系统控制模块4用于控制、协调各部件动作，包括红外激光二极管、光电探测器、信号识别计时器等部件工作，控制温、湿保护器件的动作，确保整套系统野外工作的能力。实现与上位机的通信，包括工作方式的设置，信息输出等各种功能，实现多层云实时测距装置的长期野外全自动工作。

本实施例采用了高效的光学发射接收系统和简洁的低成本测距识别电路，可以探测多层云底高度信息。首先是具备探测大气气溶胶及大气分子的能力，这使得该系统能够探测十几公里的云，其次是利用云回波信号的脉冲特点，直接输入到信号识别计时器，能够以高时间精确记录云信号。

本实施例采用了优化设计的识别计时器，具备自动调整识别云信号阈值和多次记录计时的功能，实现多层云的探测。

本实施例多层云实时测距装置的系统参数如下：

激光波长：905nm

脉冲输出功率：50W（在2500Hz）

重复率：2.5-5kHz

激光脉宽：≤100ns

接收望远镜：口径≤φ150mm

滤光片带宽：1nm

探测器：PMT

数据采集器：高速阈值自动调整信号识别计时器

探测范围：0～15Km

全天候运行

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.多层云实时测距装置，其特征在于：包括激光扩束整形系统、红外激光二极管、信号识别计时器、系统控制模块、光电探测器、后继光路、小孔光栏、接收望远镜；所述激光扩束整形系统设在红外激光二极管前方，所述红外激光二极管连接到信号识别计时器；所述系统控制模块与信号识别计时器连接，信号识别计时器还与光电探测器连接，所述光电探测器与后继光路连接，所述后继光路前方依次设有小孔光栏和接收望远镜；所述激光扩束整形系统由复数块可调节透镜组合而成；所述系统控制模块包括用于与上位计算机连接的通讯接口。

2.根据权利要求1所述的多层云实时测距装置，其特征在于：所述接收望远镜为透射式组合镜或折返式望远镜。

3.根据权利要求1所述的多层云实时测距装置，其特征在于：所述后继光路包括光学透镜、准直透镜、光学滤光片。

4.多层云实时测距方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）由系统控制模块控制红外激光二极管发射一发激光脉冲后，经过优化设计的光学扩束系统整形进入大气；

（2）大气的后向散射信号由望远镜系统接收，通过小孔光栏和后继光路到达光电探测器，由光电探测器将光信号转换为电信号，再进入信号识别计时器进行信号的识别与计时，根据时间信息输出云底高度；

（3）在输出激光脉冲的同时将同步信号发送到信号识别计时器作为计时起始信息，当遇有云层时，回波信号会突然增强，相对于无云信号形成一个脉冲，识别计时器首先需要将该信号识别出，如果是一有效脉冲信号则记录，同时将调整脉冲信号识别阈值等待下一脉冲的到来；所有记录信息和脉冲识别阈值调整均有系统控制模块完成；控制模块还需要承担激光脉冲输出的控制和整体系统温控的调节功能，以适应野外全天候工作，同时有通讯接口提供云层信息到上位计算机。

5.根据权利要求4所述的多层云实时测距方法，其特征在于：步骤（1）中所述系统控制模块作用是：

控制、协调包括红外激光二极管、光电探测器、信号识别计时器各单元器件动作，以及控制温湿度保护器件的动作，确保整套系统野外工作的能力；

实现与上位机的通信，包括工作方式的设置和信息输出。

6.根据权利要求4所述的多层云实时测距方法，其特征在于：步骤（3）中所述信号识别计时器用于连续识别脉冲信号，并记录各自距起始时刻的时间，具体包括以下任务：

可以自动调整识别阈值，当激光能量在大气传输中消耗时，随着时间和云层数的增多，信号识别单元会自动调整信号识别的阈值，以实现每层云的探测；

可以多次计时，只要有云信号的出现，即从光电管有模拟信号输出，在信号识别后转换为脉冲信号，该脉冲信号即可触发计时器记录时间，只要在同一激光脉冲内，有几次就记录几次时间信息。