CN108828625A - 一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置及方法 - Google Patents

一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及大气能见度测量技术领域，尤其为一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置及方法，包括激光源、光源整形结构、接收成像系统以及工控机，所述激光源受控连接于工控机，激光源连接光纤输入端将激光输出至与光纤输出端连接的光源整形结构；光源整形结构接收激光源发出的激光，并将激光整形后水平发射到大气中；接收成像系统接收由大气反射回来的大角度反馈散射激光；所述工控机双向通信连接于接收成像系统，将接收成像系统传递的水平分布的图像信号进行数据反演。本发明，所得成像面、望远镜镜头面和激光束相交于一点，这样结构可以有效提供系统大角度成像的景深，提高近端信号的信噪比，有利于激光雷达的数据反演。

Description

一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置及方法
技术领域
本发明涉及大气能见度测量技术领域，具体为一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置及方法。
背景技术
大气能见度是是指视力正常的人能将目标物从背景中识别出来的最大距离。测量大气能见度一般采用目测和仪器测的两种方式，也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等测量仪器测量。观测的能见度值受人的主观性影响很大，规范性、客观性相对较差。
仪器测量方法有透射型能见度仪，散射式能见度仪和脉冲式后向散射激光雷达能见度仪。散射式能见度仪主要测量大气散射信号来反演能见度，受仪器参数和背景光的影响较大。透射型能见度仪采用信号的绝对衰减量反演能见度，受仪器参数和背景光的影响也较大。脉冲式后向散射激光雷达能见度仪直接利用后向散射来探测能见度，采用信号的衰减斜率反演能见度，稳定性好，但是统比较复杂、体积较大、重量较重、不易移动和运输，限制了它的应用范围。
而沙式定理由奥地利陆军上蔚西多尔·莎姆夫禄格(简称莎姆，1865～1911)提出。沙式定理就是当被摄体平面、影像平面、镜头平面这三个面的延长面相交于一直线时，即可得到全面清晰的影像。随着半导体工业的快速发展，采用半导体光源和半导体探测器件是成本最低的探测方式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。所述沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置及方法具有可以有效提供系统大角度成像的景深，提高近端信号的信噪比，有利于激光雷达的数据反演的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置，包括激光源、光源整形结构、接收成像系统以及工控机，
所述激光源受控连接于工控机，激光源连接光纤输入端将激光输出至与光纤输出端连接的光源整形结构；
所述光源整形结构接收激光源发出的激光，并将激光整形后水平发射到大气中，经大气中目标后产生反馈散射激光；
所述接收成像系统接收由大气反射回来的大角度反馈散射激光；
所述工控机双向通信连接于接收成像系统，将接收成像系统传递的水平分布的图像信号进行数据反演。
优选的，所述激光源包括激光源Ⅰ、激光源Ⅱ以及激光源Ⅲ，其输出端连接准直器，该准直器与光纤输入端连接。
优选的，所述光源整形结构采用消色差准直透镜。
优选的，所述接收成像系统由红外成像镜头、滤光片、偏振片、狭缝光栏和CCD或CMOS半导体成像芯片组成，其中：所述反馈散射激光由外向内依次经过顺序红外成像镜头滤光片、偏振片、狭缝光栏以及CCD或CMOS半导体成像芯片。
优选的，所述反馈散射激光的大角度范围为92°～179°。
优选的，所述激光源采用红外半导体激光器或激光二极管，所述工控机通过TTL信号调制红外半导体激光器或激光二极管。
优选的，所述工控机采用嵌入式IPC610L工控机，接收CCD或CMOS半导体成像芯片上感光成像信号。
一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的方法，包括如下步骤：
(1)通过工控机通过采用TTL信号调制控制红外半导体激光器或激光二极管产生激光，并由光纤输出到消色差准直透镜进行整形；
(2)整形后的激光水平发射到大气中，经大气中目标后产生反馈散射激光；
(3)反馈散射激光束受气溶胶散射作用红外成像镜头散射光线，在视场范围内的侧向散射气溶胶回波信号，在CCD或CMOS半导体成像芯片上感光成像，即可获得随水平分布的图像；
(4)工控机接收CCD或CMOS半导体成像芯片上感光成像信号，并将接收的水平分布的图像信号进行数据反演。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
装置结构简单、稳定性好、体积较小、重量较轻、易移动和运输，拓宽了它的应用范围；观测的能见度值不受人的主观性影响，规范性、客观性相对较好；所得成像面、望远镜镜头面和激光束相交于一点，这样结构可以有效提供系统大角度成像的景深，提高近端信号的信噪比，有利于激光雷达的数据反演。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明成像面、望远镜镜头面和激光束相交于一点示意图。
图中：1激光源Ⅰ、2激光源Ⅱ、3激光源Ⅲ、4光纤、5消色差准直透镜、6红外成像镜头、7滤光片、8偏振片、9狭缝光栏、10CCD或CMOS半导体成像芯片、11工控机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～2，本发明提供一种技术方案：
一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置，包括激光源、光源整形结构、接收成像系统以及工控机11，
所述激光源受控连接于工控机11，激光源连接光纤4输入端将激光输出至与光纤4输出端连接的光源整形结构，所述光源整形结构采用消色差准直透镜5；激光源通过光纤输出、耦合到消色差准直透镜5；
所述光源整形结构即消色差准直透镜5接收激光源发出的激光，并将激光整形后水平发射到大气中，经大气中目标后产生反馈散射激光；
所述接收成像系统接收由大气反射回来的大角度反馈散射激光；
所述工控机11双向通信连接于接收成像系统，将接收成像系统传递的水平分布的图像信号进行数据反演。
所述激光源包括激光源Ⅰ1、激光源Ⅱ2以及激光源Ⅲ3，其输出端连接准直器，该准直器与光纤4输入端连接，采用激光源Ⅰ1、激光源Ⅱ2以及激光源Ⅲ3三个激光发射源可以使发出的激光更加稳定，同时降低因单个激光发射源造成发射单元过热，而影响工作。
所述接收成像系统由红外成像镜头6、滤光片7、偏振片8、狭缝光栏9和CCD或CMOS半导体成像芯片10组成，其中：所述反馈散射激光由外向内依次经过顺序红外成像镜头6滤光片7、偏振片8、狭缝光栏9以及CCD或CMOS半导体成像芯片10，CCD或CMOS半导体成像芯片10采用SONY XC-ES50/ES50CE或NightVista CMOS芯片。
所述反馈散射激光的大角度范围为92°～179°。
所述激光源采用红外半导体激光器或激光二极管，所述工控机11通过TTL信号调制红外半导体激光器或激光二极管，红外半导体激光器或激光二极管采用532-nm半导体激光器、405nm半导体激光器、808nm激光器、905nm激光器或TPGEW1S09H。
所述工控机11采用嵌入式IPC610L工控机，接收CCD或CMOS半导体成像芯片10上感光成像信号，通过IPC610L工控机内置反演软件，将接收的水平分布的图像信号进行数据反演，并显示存储。
一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的方法，包括如下步骤：
(1)通过工控机11通过采用TTL信号调制控制红外半导体激光器或激光二极管产生激光，并由光纤4输出到消色差准直透镜5进行整形；
(2)整形后的激光水平发射到大气中，经大气中目标后产生反馈散射激光；
(3)反馈散射激光束受气溶胶散射作用红外成像镜头6散射光线，在视场范围内的侧向散射气溶胶回波信号，在CCD或CMOS半导体成像芯片10上感光成像，即可获得随水平分布的图像；
(4)工控机11接收CCD或CMOS半导体成像芯片10上感光成像信号，并将接收的水平分布的图像信号进行数据反演。
工控机11控制发出脉冲信号，采用TTL信号调制的红外低成本半导体激光器或激光二极管发光，激光光源经过消色差准直透镜5整型后，水平发射到大气中，接收成像系统接收光束的大角度(92°-179°)的散射光，接收成像系统由红外成像镜头6、滤光片7、偏振片8、狭缝光栏9和CCD或CMOS半导体成像芯片10组成。激光光束在探测面上感光成像为线状，狭缝光栏9与成像线匹配。激光束受气溶胶散射作用望远镜散射光线，在视场范围内的侧向散射气溶胶回波信号，在CCD或CMOS半导体成像芯片10上感光成像，即可获得随水平分布的图像。成像面、望远镜镜头面(红外成像镜头6)和激光束(反馈散射激光)如图2所示相交于一点。这样结构可以有效提供系统大角度成像的景深，提高近端信号的信噪比，有利于激光雷达的数据反演。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置，包括激光源、光源整形结构、接收成像系统以及工控机(11)，其特征在于：
所述激光源受控连接于工控机(11)，激光源连接光纤(4)输入端将激光输出至与光纤(4)输出端连接的光源整形结构；
所述光源整形结构接收激光源发出的激光，并将激光整形后水平发射到大气中，经大气中目标后产生反馈散射激光；
所述接收成像系统接收由大气反射回来的大角度反馈散射激光；
所述工控机(11)双向通信连接于接收成像系统，将接收成像系统传递的水平分布的图像信号进行数据反演。
2.根据权利要求1所述的一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置，其特征在于：所述激光源包括激光源Ⅰ(1)、激光源Ⅱ(2)以及激光源Ⅲ(3)，其输出端连接准直器，该准直器与光纤(4)输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置，其特征在于：所述光源整形结构采用消色差准直透镜(5)。
4.根据权利要求1所述的一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置，其特征在于：所述接收成像系统由红外成像镜头(6)、滤光片(7)、偏振片(8)、狭缝光栏(9)和CCD或CMOS半导体成像芯片(10)组成，其中：所述反馈散射激光由外向内依次经过顺序红外成像镜头(6)、滤光片(7)、偏振片(8)、狭缝光栏(9)以及CCD或CMOS半导体成像芯片(10)。
5.根据权利要求1所述的一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置，其特征在于：所述反馈散射激光的大角度范围为92°～179°。
6.根据权利要求1或2所述的一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置，其特征在于：所述激光源采用红外半导体激光器或激光二极管，所述工控机(11)通过TTL信号调制红外半导体激光器或激光二极管。
7.根据权利要求4所述的一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的装置，其特征在于：所述工控机(11)采用嵌入式IPC610L工控机，接收CCD或CMOS半导体成像芯片(10)上感光成像信号。
8.一种沙式定理成像激光雷达反演大气能见度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过工控机(11)通过采用TTL信号调制控制红外半导体激光器或激光二极管产生激光，并由光纤(4)输出到消色差准直透镜(5)进行整形；
(2)整形后的激光水平发射到大气中，经大气中目标后产生反馈散射激光；
(3)反馈散射激光束受气溶胶散射作用红外成像镜头(6)散射光线，在视场范围内的侧向散射气溶胶回波信号，在CCD或CMOS半导体成像芯片(10)上感光成像，即可获得随水平分布的图像；
(4)工控机(11)接收CCD或CMOS半导体成像芯片(10)上感光成像信号，并将接收的水平分布的图像信号进行数据反演。
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