CN110793945B - 一种合成白光大气能见度仪及能见度测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种合成白光大气能见度仪及能见度测量方法，属于激光遥感技术领域。本发明通过选择覆盖可见光范围的多个激光波长合成白光光源，测量发射激光功率和穿过一定长度大气后的接收功率，通过反演计算得到能见度。对于透射式能见度仪，本发明测量基线越长，能见度测量精度越高。由于亮度限制，一般白光能见度仪测量基线难以提高，而激光具有高亮度优势，基线可达百米甚至公里量级，因此本发明在测量精度的提高空间上远高于现有技术。

Description

一种合成白光大气能见度仪及能见度测量方法
技术领域
本发明涉及一种合成白光大气能见度仪及能见度测量方法，属于激光遥感技术领域。
背景技术
能见度在气象、环保、航空等领域是重要的观测参数，目前用于能见度观测的仪器主要为能见度仪，一般分为透射型、前向散射型和电子能见度仪。
其中电子能见度仪通过对目标图像的分析得到能见度，但其天候适应性尚有不足；前向散射型能见度仪算法复杂，通过散射信号反演能见度的误差较大；透射型能见度仪通过测量大气消光计算能见度精度较高。
目前透射型能见度仪的光源分为两种：一种为单波长激光，另一种为白光宽谱光源。单波长激光发散角小、远场光斑小、能量密度大，以之为光源的透射型能见度仪体积小、易安装、可以设置长基线，但是因为单波长测量无法覆盖全可见光范围，不能反映大气对不同波长的影响，因而与真值相比误差较大。目前以白光LED为光源的透射式能见度仪能够很好的反映能见度特性，但是其LED光源发散角大、远场光斑大，系统规模和体积都较大，安装、维护难度高，成本较高。同时，由于不易设置较长的基线，使其能见度测量灵敏度难以提高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种合成白光大气能见度仪及能见度测量方法，通过选择覆盖可见光范围的多个激光波长合成白光光源，测量发射激光功率和穿过一定长度大气后的接收功率，通过反演计算得到能见度。
本发明的技术解决方案是：一种合成白光大气能见度仪，包括激光发射机、激光接收机和数据处理模块；
激光发射机包括多波长激光器组、激光合束器、发射光学系统和能量监测器；多波长激光器组发射多波长激光并分为两部分，将第一部分发送至激光合束器，激光合束器将合束后的第一部分多波束激光发送至发射光学系统，经发射光学系统后进入大气并最终到达激光接收机；将第二部分发送至能量监测器，由能量监测器测量第二部分的能量，并将测得的发射能量数据发送数据处理模块；
激光接收机包括接收光学系统和探测器组；接收光学系统接收第一部分激光，然后将第一部分激光发送至探测器组，由探测器组测量接收到的激光的能量，并将接收能量数据传输给数据处理模块；
数据处理模块接收发射能量数据和接收能量数据，计算激光发射机和激光接收机之间能见度，该能见度可以代表仪器周围一定范围内的能见度条件，该范围根据应用条件确定。
进一步地，所述第一部分的能量占比不大于多波长激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。
进一步地，所述多波长激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。ZXCVBnm607
进一步地，所述能见度为
Figure BDA0002250804050000021
其中，σ为经验常数，
Figure BDA0002250804050000022
L为发射光学系统和接收光学系统之间的距离，f(λ)为根据能见度标准定义的归一化光源辐射谱，s(λ)为根据能见度标准定义的归一化探测响应谱，α(λ)为400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布。
进一步地，所述400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布为
Figure BDA0002250804050000023
其中，λ为发射激光的波长，且λ∈[λi，λi+1]，i＝1…N-1，N为不同波长的发射激光的数量，ki(i+1)为波长间Angstrom指数。
根据所述的一种合成白光大气能见度仪实现的能见度测量方法，包括如下步骤：
多波长激光器组发射多波长激光并分为两部分，将第一部分发送至激光合束器，激光合束器将合束后的第一部分多波束激光发送至发射光学系统，经发射光学系统后进入大气并最终到达激光接收机；将第二部分发送至能量监测器，由能量监测器测量第二部分的能量，并将测得的发射能量数据发送数据处理模块；
接收光学系统接收第一部分激光，然后将第一部分激光发送至探测器组，由探测器组测量接收到的激光的能量，并将接收能量数据传输给数据处理模块；
数据处理模块接收发射能量数据和接收能量数据，计算激光发射机和激光接收机之间的能见度。
进一步地，所述第一部分的能量占比不大于多波长激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。
进一步地，所述多波长激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。
进一步地，所述能见度为
Figure BDA0002250804050000031
其中，σ为经验常数，
Figure BDA0002250804050000032
L为发射光学系统和接收光学系统之间的距离，f(λ)为根据能见度标准定义的归一化光源辐射谱，s(λ)为根据能见度标准定义的归一化探测响应谱，α(λ)为400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布。
进一步地，所述400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布为
Figure BDA0002250804050000033
其中，λ为发射激光的波长，且λ∈[λi，λi+1]，i＝1…N-1，N为不同波长的发射激光的数量，ki(i+1)为波长间Angstrom指数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过合成白光设计，本发明比普通单波长激光能见度仪的测量精度更高，理论上可以得到与白光能见度仪相当的测量精度。
(2)本发明对于透射式能见度仪，测量基线越长，能见度测量精度越高。由于亮度限制，一般白光能见度仪测量基线难以提高，而激光具有高亮度优势，基线可达百米甚至公里量级，因此本发明在测量精度的提高空间上远高于现有技术。
(3)一般由于亮度限制，白光能见度仪需要设计较大的发射和接收系统，而激光则可以有限压缩系统体积和规模，更能适应有小型化需求的测量条件。
(4)采用本发明的能见度仪可以从光谱维度大幅压缩背景光干扰，与白光能见度仪相比白天应用抗干扰效果大幅提升。
附图说明
图1为本发明系统功能示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明进行进一步解释和说明。
如图1所示，一种合成白光大气能见度仪，包括激光发射机、激光接收机和数据处理模块7；
激光发射机包括多波长激光器组1、激光合束器2、发射光学系统3和能量监测器4；多波长激光器组1发射多波长激光并分为两部分，将第一部分发送至激光合束器2，激光合束器2将合束后的第一部分多波束激光发送至发射光学系统3，经发射光学系统7后进入大气并最终到达激光接收机；将第二部分发送至能量监测器4，由能量监测器4测量第二部分的能量，并将测得的发射能量数据发送数据处理模块7；
激光接收机包括接收光学系统5和探测器组6；接收光学系统5接收第一部分激光，然后将第一部分激光发送至探测器组6，由探测器组6测量接收到的激光的能量，并将接收能量数据传输给数据处理模块7；
数据处理模块7接收发射能量数据和接收能量数据，计算激光发射机和激光接收机之间的能见度。
计算能见度的方法为：
根据测量数据计算得到各波长的消光系数：
Figure BDA0002250804050000051
式中L为发射光学模块3和接收光学模块5之间的距离。
计算波长间Angstrom指数：
Figure BDA0002250804050000052
计算400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布：
Figure BDA0002250804050000053
式中，λ∈[λi，λi+1]，i＝1…N-1。
根据能见度定义计算总消光系数：
Figure BDA0002250804050000054
式中f(λ)为根据能见度标准定义的归一化光源辐射谱，s(λ)为根据能见度标准定义的归一化探测响应谱。
根据能见度定义计算能见度:
Figure BDA0002250804050000055
式中，σ为经验常数，气象能见度中σ约为3.912，航空能见度中σ约为2.996。
优选地，所述第一部分的能量占比不大于多波长激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。
优选地，所述多波长激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。
本发明的一个优选实施例。
一种合成白光大气能见度仪，包括激光发射机、激光接收机和数据处理模块7；
激光发射机发射两种波长激光分别为λ1＝450nm和λ1＝650nm，并分别记录发射能量PS1和PS2，激光接收机分别获得这两种波长的激光通过大气后的能量PR1和PR2。
计算能见度的方法为：
根据测量数据计算得到各波长的消光系数：
Figure BDA0002250804050000061
式中L为发射光学模块3和接收光学模块5之间的距离。
计算波长间Angstrom指数：
Figure BDA0002250804050000062
计算400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布：
Figure BDA0002250804050000063
根据能见度定义计算总消光系数：
Figure BDA0002250804050000071
式中f(λ)为根据能见度标准定义的归一化光源辐射谱，s(λ)为根据能见度标准定义的归一化探测响应谱。
根据能见度定义计算能见度:
Figure BDA0002250804050000072
式中，σ为经验常数，气象能见度中σ约为3.912，航空能见度中σ约为2.996。
优选地，所述第一部分的能量占比不大于多波长激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比。
优选地，所述多波长激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种合成白光大气能见度仪，其特征在于：包括激光发射机、激光接收机和数据处理模块(7)；
激光发射机包括多波长激光器组(1)、激光合束器(2)、发射光学系统(3)和能量监测器(4)；多波长激光器组(1)发射多波长激光并分为两部分，将第一部分发送至激光合束器(2)，激光合束器(2)将合束后的第一部分多波束激光发送至发射光学系统(3)，经发射光学系统(3)后进入大气并最终到达激光接收机；将第二部分发送至能量监测器(4)，由能量监测器(4)测量第二部分的能量，并将测得的发射能量数据发送数据处理模块(7)；
激光接收机包括接收光学系统(5)和探测器组(6)；接收光学系统(5)接收第一部分激光，然后将第一部分激光发送至探测器组(6)，由探测器组(6)测量接收到的激光的能量，并将接收能量数据传输给数据处理模块(7)；
数据处理模块(7)接收发射能量数据和接收能量数据，计算激光发射机和激光接收机之间能见度，该能见度代表仪器周围一定范围内的能见度条件，该范围根据应用条件确定；
所述第一部分的能量占比不大于多波长激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比；
所述多波长激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍；
所述能见度为
Figure FDA0003758367610000011
其中，σ为经验常数，α为消光系数，
Figure FDA0003758367610000012
λ为发射激光的波长，L为发射光学系统(3)和接收光学系统(5)之间的距离，f(λ)为根据能见度标准定义的归一化光源辐射谱，s(λ)为根据能见度标准定义的归一化探测响应谱，α(λ)为400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布。
2.根据权利要求1所述的一种合成白光大气能见度仪，其特征在于：所述400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布为
Figure FDA0003758367610000021
其中，λ为发射激光的波长，且λ∈[λi，λi+1]，i＝1…N-1，N为不同波长的发射激光的数量，ki(i+1)为波长间Angstrom指数。
3.根据权利要求1所述的一种合成白光大气能见度仪实现的能见度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
多波长激光器组(1)发射多波长激光并分为两部分，将第一部分发送至激光合束器(2)，激光合束器(2)将合束后的第一部分多波束激光发送至发射光学系统(3)，经发射光学系统(3)后进入大气并最终到达激光接收机；将第二部分发送至能量监测器(4)，由能量监测器(4)测量第二部分的能量，并将测得的发射能量数据发送数据处理模块(7)；
接收光学系统(5)接收第一部分激光，然后将第一部分激光发送至探测器组(6)，由探测器组(6)测量接收到的激光的能量，并将接收能量数据传输给数据处理模块(7)；
数据处理模块(7)接收发射能量数据和接收能量数据，计算激光发射机和激光接收机之间的能见度；
所述第一部分的能量占比不大于多波长激光的能量的2％，第二部分的能量占比＝1-第一部分的能量占比；
所述多波长激光的中心波长位于示踪分子吸收峰处，调节范围不小于吸收光谱线宽的100倍；
所述能见度为
Figure FDA0003758367610000022
其中，σ为经验常数，α为消光系数，
Figure FDA0003758367610000031
λ为发射激光的波长，L为发射光学系统(3)和接收光学系统(5)之间的距离，f(λ)为根据能见度标准定义的归一化光源辐射谱，s(λ)为根据能见度标准定义的归一化探测响应谱，α(λ)为400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布。
4.根据权利要求3所述的能见度测量方法，其特征在于：所述400nm-700nm可见光范围内的消光系数分布为
Figure FDA0003758367610000032
其中，λ为发射激光的波长，且λ∈[λi，λi+1]，i＝1…N-1，N为不同波长的发射激光的数量，ki(i+1)为波长间Angstrom指数。
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