CN104897620B - 考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量系统，其包括发射机单元和接收机单元，所述发射机单元主要由激光器和发射透镜组成；所述接收机单元由两个以上接收机构成，该两个以上接收机的位置对应于各自长度的基线，该两个以上接收机的各自长度的基线之间具有夹角；所述接收机主要由接收透镜、可调节的视场光阑、透镜、带通滤光镜、聚光镜和光学传感器组成；所述发射机可在接收机的各自长度的基线夹角范围内转动。本发明还提供一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量方法。本发明能够根据当前能见度，实现透射仪基线长度和接收机视场角的智能调节，能够有效的抑制低能见度时多次散射的影响，减小低能见度时，由多次散射引起的测量误差。

Description

考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量系统及方法

技术领域

本发明涉及能见度探测技术领域，特别是一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量系统及测量方法。

背景技术

大气能见度是从目标物能否被看到和辨认的角度，用距离描述大气透明程度(或浑浊程度)的物理量。国际民航组织(ICAO)对能见度给出的定义是：当在明亮的背景下观测时，能够看到和辨认出位于近地面的适当尺寸的黑色目标物的最大距离；在无光背景下，能够看到和辨认出光强为1K色温左右的灯光的最大距离。国外自确立Koschmieder定律后，就开始致力于能见度测量技术的研究。透射仪是较早发明的能见度测量仪器，目前主要应用于机场的能见度自动观测系统的RVR测量。

早在20世纪80年代，国内就对透射法测量能见度进行了研究。长春气象仪器研究所首先研制出透射式能见度仪——TS型透射表，填补了国内在该领域的空白。四川成都虹岳科技有限公司研发了透射式能见度检测仪HY-VT100及其他型号，相比国外同类产品，该仪器价格适中、注重实用，在一些特定场合，比如隧道及一些公路得到了一定的应用。透射仪的工作原理是：基于样本大气的透过率测量，计算出大气消光系数，反演得出大气能见度。透射法测能见度，无需对大气作均匀假设，而是直接对大气透过率进行探测。严格意义上讲，用透射法测量得到的大气消光系数比散射法更为准确。但是，在雨、雾等低能见度天气条件下，由于雾滴、雨滴粒子尺度远远大于探测激光波长，产生严重的多次散射现象，其影响不容忽视。透射仪测量能见度时，到达接收机的光束包含原发射光束、单次散射光和多次散射光。能见度测量原理比尔朗伯(Bouguer-Lambert)定律适用于仅考虑单次散射条件的情况。低能见度条件下，多次散射现象严重，运用Bouguer-Lambert定律会引起较大误差。因此激光大气透射仪测量能见度时需考虑多次散射。

目前国内外的的透射仪产品只是针对杂散光进行抑制，并未针对光源自身产生的多次散射现象进行研究。本发明给出了考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量系统设计。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明提供一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量系统，其可应用于低能见度条件下，多次散射现象严重时，能见度、MOR以及RVR测量，可降低低能见度时多次散射对能见度测量精度的影响。

本发明还提供一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量系统，其特征在于：包括发射机单元和接收机单元，所述发射机单元主要由激光器和发射透镜组成；所述接收机单元由两个以上接收机构成，该两个以上接收机的位置对应于各自长度的基线，该两个以上接收机的各自长度的基线之间具有夹角；所述接收机主要由接收透镜、可调节的视场光阑、透镜、带通滤光镜、聚光镜和光学传感器组成；所述发射机可在接收机的各自长度的基线夹角范围内转动。

而且，所述的接收机单元由第一接收机及第二接收机构成，该两台接收机分别对应安装于第一长度基线及第二长度基线，该第一长度基线及第二长度基线之间具有夹角。

而且，所述的第一长度基线的长度为30m，所述第二长度基线的长度为75m。

一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

⑴.系统初始化：测量系统以初始基线长度L₀和接收机视场角θ进行能见度测量，得到初始能见度测量值V₀；

⑵.选取基线长度：根据初始能见度测量值V₀所处的区间选择合适的基线长度，初始能见度测量值V₀<500m时采用30m基线的第一接收机进行二次测量，初始能见度测量值V₀>500m时，采用75m基线的第二接收机进行二次测量；

⑶.低能见度条件下进行接收机视场角调校：初始能见度测量值V₀<1500m时，需考虑多次散射，初次测量时需对第一接收机或第二接收机的视场光阑的大小进行微调，以调节接收机视场角的大小，使抑制多次散射的影响的效果达到最佳；

⑷.初始能见度测量值V₀>1500m，系统测量可不考虑多次散射，无需进行视场角调节，可直接进行能见度测量；

⑸.步骤⑵、⑶、⑷的测量过程中，如所得能见度值有出现范围变化，需重新选择基线长度。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明激光大气透射仪能见度测量系统及测量方法，针对低能见度条件下的多次散射现象对激光大气透射仪测量能见度的影响进行了研究，并对不同基线长度和接收机视场角情况下的激光传输过程进行了仿真分析，从基线长度和接收机视场角两个方面给出了抑制多次散射影响的条件。

2、本发明激光大气透射仪能见度测量系统，包括具有不同基线的第一接收机及第二接收机，分别适用于低能见度时及高能见度时的测量，并且两台接收机之间设置一定的夹角，发射机具有可偏转角度的功能，满足一台发射机与对台接收机之间的配合使用；并且每个接收机均按照有可调节的视场光阑，通过调节接收机视场角的大小，可抑制多次散射的影响。

3、本发明激光大气透射仪能见度测量方法，其依据的原理为：由于低能见度时，多次散射现象严重，因此选取短基线可减小多次散射影响；高能见度时，多次散射对能见度测量影响较小，可忽略；而且，视场光阑缩小时，相应的第一或第二接收机的视场角减小，接收的多次散射光减少。本发明中当初始能见度测量值V₀<500m时采用30m基线的第一接收机进行二次测量，初始能见度测量值V₀>500m时，采用75m基线的第二接收机进行二次测量，而且，初始能见度测量值V₀<1500m时，测量系统在考虑多次散射模式下工作，需调节第一接收机或第二接收机的视场光阑的大小，以调节接收机视场角的大小(视场角的大小根据可抑制多次散射的理论值进行调节，仿真结果给出视场角为1mrad时，对多次散射影响的抑制效果较好)，抑制多次散射的影响。

4、本发明的激光大气透射仪能见度测量系统及测量方法，设计了一个考虑多散射的激光大气透射仪能见度观测系统，该系统能够根据当前能见度，实现透射仪基线长度和接收机视场角的智能调节，能够有效的抑制低能见度时多次散射的影响，减小低能见度时，由多次散射引起的测量误差。

附图说明

图1为本发明的激光大气透射仪能见度测量系统的示意图；

图2为本发明中的接收机结构示意图。

附图标记说明

1-发射机单元、2-第一接收机、3-第二接收机、4-发射机激光发散角、5-接收机视场角、6-两基线之间的夹角、7-第一长度基线、8-第二长度基线、9-接收透镜、10-视场光阑(可调)、11-透镜、12-带通滤光镜、13-聚光镜、14-光学传感器。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量系统，包括发射机单元和接收机单元，所述发射机单元1主要由激光器和发射透镜组成；所述接收机单元由两个以上接收机构成，该两个以上接收机的位置对应于各自长度的基线，该两个以上接收机的各自长度的基线之间具有夹角；所述接收机主要由接收透镜9、可调节的视场光阑10、透镜11、带通滤光镜12、聚光镜13和光学传感器14组成；所述发射机可在接收机的各自长度的基线夹角范围内转动。本实施例中接收机单元由第一接收机2及第二接收机3构成，该两台接收机分别对应安装于第一长度基线7及第二长度基线8，该第一长度基线及第二长度基线之间具有夹角6。发射机具有发射机激光发射角4。第一接收机及第二接收机均具有接收机视场角5。第一长度基线的长度为30m，第二长度基线的长度为75m。

实施例1、一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量方法，包括如下步骤：

⑴.系统初始化：测量系统以初始基线长度L₀＝30m和初始接收机视场角θ₀＝30mrad进行能见度测量，得到初始能见度测量值V₀＝76.9m；此时，大气能见度较低。

⑵.选取基线长度：根据初始能见度测量值V₀＝76.9m＜500m，选择基线长度30m基线的第一接收机进行测量，同时确定工作模式为考虑多次散射的工作模式。

(3).接收机视场角调校：初始能见度测量值V₀＝76.9m＜1500m，需考虑多次散射的影响，测量需调节接收机的视场光阑的大小，以调节接收机视场角的大小，使抑制多次散射的影响的效果达到最佳，视场光阑缩小时，相应的第一视场角减小，接收的多次散射光减少。

(4).调校及以后的测量过程中，如所得能见度值出现V₀>500m，V₀>1500m范围变化时，需重新选择基线长度和工作模式。

此过程的具体测量数据如下：

由表中数据可知，接收机视场角逐渐减为1mrad时，接收的多次散射光减少，能见度值降低，接收机视场角为1mrad时与理论仿真结果吻合，即接收视场角为1mrad测量系统的测量结果精确性最好，对多次散射影响的抑制效果较好。

实施例2、一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量方法，包括如下步骤：

⑴.系统初始化：测量系统以初始基线长度L₀＝30m和初始接收机视场角θ₀＝1mrad进行能见度测量，得到初始能见度测量值V₀＝762.7m；此时，大气能见度稍高；

⑵.选取基线长度：根据初始能见度测量值500m＜V₀＝762.7m＜1500m，选择基线长度75m基线的第二接收机进行测量，同时确定工作模式为考虑多次散射的工作模式；

(3).接收机视场角调校：初始能见度测量值V₀＝762.7m＜1500m，需考虑多次散射的影响，测量需调节接收机的视场光阑的大小，以调节接收机视场角的大小，使抑制多次散射的影响的效果达到最佳，视场光阑缩小时，相应的第一视场角减小，接收的多次散射光减少，具体调节视具体调节视实际能见度情况为准；

(4).调校及以后的测量过程中，如所得能见度值有V₀<500m或V₀>1500m的范围变化，需重新选择基线长度和工作模式。

由表中数据可知，接收机视场角逐渐减为1mrad时，接收的多次散射光减少，能见度值降低，接收机视场角为1mrad时与理论仿真结果吻合，即接收视场角为1mrad测量系统的测量结果精确性最好，对多次散射影响的抑制效果较好。

实施例3、一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量方法，包括如下步骤：

⑴.系统初始化：测量系统以初始基线长度L₀＝30m和初始接收机视场角θ₀＝30mrad进行能见度测量，得到初始能见度测量值V₀＝1517m；

⑵.选取基线长度：根据初始能见度测量值V₀＝1517m＞1500m，选择基线长度75m基线的第二接收机进行测量，无需考虑多次散射，无需对接收机视场角进行调节；

(3).调校及以后的测量过程中，如所得能见度值有V₀<500m或V₀>1500中的范围变化，需重新选择基线长度和工作模式。

此过程的具体测量数据如下：

由表中数据可知，能见度较高的时候，调节视场角，测量系统所测得的透过率和能见度变化不大，说明此时透射仪测量结果受多次散射影响小。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量系统，其特征在于：包括发射机单元和接收机单元，所述发射机单元主要由激光器和发射透镜组成；所述接收机单元由两个以上接收机构成，该两个以上接收机的位置对应于各自长度的基线，该两个以上接收机的各自长度的基线之间具有夹角；所述接收机主要由接收透镜、可调节的视场光阑、透镜、带通滤光镜、聚光镜和光学传感器组成；所述发射机可在接收机的各自长度的基线夹角范围内转动；所述的接收机单元由第一接收机及第二接收机构成，该两台接收机分别对应安装于第一长度基线及第二长度基线，该第一长度基线及第二长度基线之间具有夹角；所述的第一长度基线的长度为30m，所述第二长度基线的长度为75m。

2.一种考虑多次散射的激光大气透射仪能见度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

⑴.系统初始化：测量系统以初始基线长度L₀和接收机视场角θ进行能见度测量，得到初始能见度测量值V₀；

⑵.选取基线长度：根据初始能见度测量值V₀所处的区间选择合适的基线长度，初始能见度测量值V₀<500m时采用30m基线的第一接收机进行二次测量，初始能见度测量值V₀>500m时，采用75m基线的第二接收机进行二次测量；

⑶.低能见度条件下进行接收机视场角调校：初始能见度测量值V₀<1500m时，需考虑多次散射，初次测量时需对第一接收机或第二接收机的视场光阑的大小进行微调，以调节接收机视场角的大小，使抑制多次散射的影响的效果达到最佳；

⑷.初始能见度测量值V₀>1500m，系统测量可不考虑多次散射，无需进行视场角调节，可直接进行能见度测量；

⑸.步骤⑵、⑶、⑷的测量过程中，如所得能见度值有出现范围变化，需重新选择基线长度。