CN1948953B - 基于激光后向散射式大气能见度测量的方法及测量仪 - Google Patents

Abstract

基于激光后向散射式大气能见度测量的方法及测量仪，它包括如下步骤：①按照中增益和高增益分别五次发射并接收激光后向散射信号，在每次接受的信号中采样400点；②分别计算每次采样各个断层间的消光系数，在剔除断层内误差较大点的前提下，计算断层间的平均消光系数各五个；③按照数据融合的算法计算整体的相对消光系数；④通过相对消光系数的反演来推导大气能见度。本发明克服了现有测量仪的接收端和发射端大都分布在两侧，需要合作目标，安装和携带不方便等诸多缺点。具有测量精度高、体积小、重量轻、应用范围广、无需合作目标等优点。

Description

基于激光后向散射式大气能见度测量的方法及测量仪

技术领域

本发明涉及一种基于激光后向散射式大气能见度测量的方法，本发明还同时涉及根据该方法设计的大气能见度测量仪。该测量仪主要用于机场、气象、港湾的大气监测以及试验场区、雷达、红外、激光等设备的大气能见度参数定标。 

背景技术

气象能见度(meteorological visibility)作为专业术语，世界气象组织(WMO)是这样定义的：正常视力的人，在白天当时的天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出适当大小黑色目标物的最大距离；在夜间则是指假设亮度与白天相同的情况下能够辨认出目标物的最大距离。可见，气象能见度是表示大气浑浊程度或透明度的一个量。这个量用距离来表示。因此，气象能见度的简单定义为：用距离来表示的大气的浑浊程度(或透明度)称为能见度。 

能见度的测量对于航空航海、陆上交通、气象以及军事应用都有重大的意义，尤其在军事领域，它是飞机和舰船安全航行、雷达、光电装备定标、军事目标打击等军事行动的重要依据之一。 

能见度测量仪器是基于上述理论研制出来的。尽管各类仪器的具体结构、测量方法不同，但测量原理基本一致，即利用仪器测得大气消光系数σ，然后通过Koschmieder定律或Allard定律来求得能见度值。从总体结构来看，能见度测量仪器主要由4部分组成，即发射器、接收器、处理器和显示器。常见的能见度测量仪器一般分为3种：透射式、散射式和激光雷达式。 

这些测量仪的接收端和发射端大都分布在两侧，需要合作目标，具有体积大，成本高，测量范围较小，安装和携带不方便等诸多缺点，很难推广使用。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种基于激光后向散射式大气能见度测量的方法。 

本发明的另一个目的在于提供一种根据该方法设计的大气能见度测量仪。该仪器具有测量精度高、体积小、重量轻、应用范围广、无需合作目标等优点。 

基于激光后向散射式大气能见度测量的方法：它包括如下步骤：①按照中增益和高增益分别五次发射并接收激光后向散射信号，在每次接受的信号中采样400点，②分别计算每次采样各个断层间的消光系数，在剔除断层内误差较大点的前提下，计算断层间的平均消光系数各五个；③按照数据融合的算法计算整体的相对消光系数；④通过相对消光系数的反演来推导大气能见度。 

具体公式如下： 

设Ri、R_i+1是一次接收回波信号中任意一个断层的相邻采集点，则根据激光雷达方程可得： 

$P\left(R_i\right)=\frac{\mathrm{CE\β}\left(R_i\right)}{R_i^2}\·e^{-2{\∫}_0^{R_i}\mathrm{\σdR}}---\left(1\right)$

$P\left(R_{i+1}\right)=\frac{\mathrm{CE\β}\left(R_2\right)}{R_2^2}\·e^{-2{\∫}_0^{R_{i+1}}\mathrm{\σdR}}---\left(2\right)$

其中， 

P(R_i)、P(R_i+1)——R_i、R_i+l点的激光回波信号； 

c——激光雷达系统常数； 

p——大气后向散射系数； 

——两点间的消光系数； 

E——激光系统常数，它由激光发射功率，激光脉冲宽度， 

望远镜的有效接收面积共同决定。 

依照大气各向吸收为零的假设，可以认为 

$\mathrm{\β}\left(R_i\right)=\mathrm{\β}\left(R_{i+1}\right)---\left(3\right)$

${\∫}_0^R\mathrm{\σdR}={\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{i}R---\left(4\right)$

由(1)、(2)、(3)、(4)式可以推导出 

$\frac{P\left(R_i\right)}{P\left(R_{i+1}\right)}={\left(\frac{R_{i+1}}{R_i}\right)}^2\·e^{-2\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}R}---\left(5\right)$

最终可推得该两点间的消光系数 

为： 

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_i=-\frac{1}{2(R_i-R_{i+1})}\ln \frac{P\left(R_i\right)R_i^2}{P\left(R_{i+1}\right)R_{i+1}^2}---\left(6\right)$

在剔除各个误差大于10％的数值后，设余下的可信计算点为N个，该次计算得出的相对消光系数 

则有： 

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_i=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_j---\left(7\right)$

通过计算将相应的两组测量数据分别记为 ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{11},{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{12},\·\·\·{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{1m},(m=5)$ 和  ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{21},{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{22},\·\·\·,{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{2n}(n=5).$ 公式见(8)、(9)、(1O)、(11)： 

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\left(1\right)}=\frac{1}{m}\underset{p=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{1p}---\left(8\right)$

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\left(2\right)}=\frac{1}{n}\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{2q}---\left(9\right)$

${\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\left(1\right)}=\sqrt{\frac{1}{m-1}\underset{p=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{1p}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\left(1\right)})}^2}---\left(10\right)$

${\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\left(2\right)}=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{q=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{({\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{2q}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\left(2\right)})}^2}---\left(11\right)$

根据数据融合的算法得到整体消光系数σ⁺见公式(12)： 

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}^{+}=\frac{{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\left(2\right)}^2}{{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\left(1\right)}^2+{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\left(2\right)}^2}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\left(1\right)}+\frac{{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\left(1\right)}^2}{{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\left(1\right)}^2+{\widehat{\mathrm{\σ}}}_{\left(2\right)}^2}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\left(2\right)}---\left(12\right)$

其中σ⁺即为中、高增益参数估计数据融合的能见度值，代入σ₍₁₎、 

σ₍₂₎和 

的数据，可以计算出这10个测量数据的能见度融合值。最终，可以推得能见度V_m为： 

$V_m=\frac{3.912}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}^{+}}{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{0.55}\right)}^q---\left(13\right)$

其中，波长λ单位为微米。q值按(14)的计算方法取值： 

基于激光后向散射式大气能见度测量仪，它包括依次连接的激光器4、倍频器3、准直镜2、扩束镜1，用于接收由大气的散射作用而产生的回波信号的接收镜头5，其特征在于接收镜头5依次连接滤光镜组6、窄带干涉滤光片7、光电转换系统8，小信号放大电路9的一端连接光电转换系统8，另一端连接采样保持电路10，数模转换电路13的一端与采样保持电路10连接，另一端与计算机系统11连 接，计算机系统11与显示器15、键盘14及采样保持电路10连接，控制软件12分别与激光器4、光电转换系统8及计算机系统11连接。 

在上述技术方案中，所述控制软件12的控制流程为：开始01→初始化设置02→接收回波信号03→进行数据处理04→对接收数据进行有效性检验05，若无效，返回接收回波信号03步→计算大气消光系数06→计算大气能见度07→结束08。 

本发明基于激光后向散射式大气能见度测量的方法解决了以下问题：1)、由于在较小的分段中大气可以看作是近似均匀的，因此解决以往两点法计算时大气不均匀性带来的误差；2)、减小了由于测量时局部大气湍流、风沙等偶然因素带来的偶然误差；3)、通过不同天气现象下的能见度范围的限制，可将能见度测量值的计算结果限定在一定范围以内，从而减少了由于激光发射的偶然不稳定所造成的偶然性误差。 

基于激光后向散射式大气能见度测量仪具有如下优点：1、全天候工作，可在白天、黑夜及各种恶劣条件下应用；2、精度高，误差满足气象部门要求的20％以内，达到15％以内；3、测量范围大，可测范围为50米至20000米；4、体积小，便于携带，其总重量仅2.8公斤；5、无需合作目标，可在野外、海洋、山区等各种特殊环境下使用；6、串口输出，可连接电脑，软件界面美观。 

附图说明

图1双端透射式能见度仪原理示意图； 

图2侧向散射仪原理示意图； 

图3前向散射能见度仪原理示意图； 

图4后向散射能见度仪原理示意图； 

图5激光雷达式能见度仪原理示意图； 

图6激光回波信号幅度P(R)随距离R的变化关系； 

图7激光大气断层测量算法示意图； 

图8系统结构组成图； 

图9系统基本流程图； 

图10系统的操作界面； 

图112006年6月11日在某地测量的能见度走势图； 

图12中增益原始信号图； 

图13高增益原始图。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。 

基于激光后向散射式大气能见度测量的方法：它包括如下步骤：①按照中增益和高增益分别五次发射并接收激光后向散射信号，在每次接受的信号中采样400点，②分别计算每次采样各个断层间的消光系数，在剔除断层内误差较大点的前提下，计算断层间的平均消光系数各五个；③按照数据融合的算法计算整体的相对消光系数；④通过相对消光系数的反演来推导大气能见度。 

基于激光后向散射式大气能见度测量仪，它包括依次连接的激光器4、倍频器3、准直镜2、扩束镜1，用于接收由大气的散射作用而产生的回波信号的接收镜头5，其特征在于接收镜头5依次连接滤光镜组6、窄带干涉滤光片7、光电转换系统8，小信号放大电路9的一端连接光电转换系统8，另一端连接采样保持电路10，数模转换电路13的一端与采样保持电路10连接，另一端与计算机系统11连接，计算机系统11与显示器15、键盘14及采样保持电路10连接，控制软件12分别与激光器4、光电转换系统8及计算机系统11连接。

在上述技术方案中，所述控制软件12的控制流程为：开始01→初始化设置02→接收回波信号03→进行数据处理04→对接收数据进行有效性检验05，若无效，返回接收回波信号03步→计算大气消光系数06→计算大气能见度07→结束08。 

参阅图1可知：透射式能见度仪也称为透射表，透射表是出现最早的一种能见度测量仪。仪器通过测量光的透过率来求得大气消光系数，从而确定能见度值。透射式测量能见度最大的缺陷就是需要基线B，这就使得仪器占地面积相对增大，对仪器的安装、使用和应用领域受到相应地限制。 

参阅图2可知：发射器中光源发出漫射光，漫射光照射到采样体积上被散射；接收器在侧向接收散射光强。由发射光强和散射光强可以得到总散射系数。侧向散射仪测量散射光范围大，理论上精度高，但实际使用精度很差，反应不灵敏，目前已经极少应用。 

参阅图3可知：前向散射仪的收发两端距离一般为几米到十几米之间。因此前向散射仪的结构较为紧凑，外界干扰的影响很小，安装维护方便，适合于各种能见度测量，尤其适用于能见度低的情况下使用。然而该能见度测量仪发射端与接收端位于采样空间的两侧，且需要角度调整，因此该设备就不具备便携性，特别在船舶中由于无法固定发射、接收端而无法使用。 

图4为后向散射能见度仪原理示意图。1958年Curuio和 

参阅图5可以看出，激光雷达结构上与后向散射仪相似。激光雷达的一个突出优点是不仅能测量水平能见度，而且也能测量倾斜能见度和垂直能见度。然而该仪器结构复杂，体积大，成本高。因此多年来，许多国家都在尝试将激光雷达式能见度仪改进为实用型仪器，但目前为止，激光雷达还只应用于科研和国防领域。 

激光后向散射式能见度测量仪的系统结构示意图(如图8所示)。它是由激光发射器件、激光接收器件、信号探测和数据采集器件以及计算机等部分组成。除计算机之外，其它部分全部组装在一起，使得该能见度测量仪整体结构紧凑，携带方便。该设备还可配装三角架，可以放在三角架上进行水平方向的调节，使用方便。 

在使用时，首先进行各个设备的初始化，通过触发激光器4发射激光，激光光束通过倍频器3、准直镜2、扩束镜1向大气中发射激光信号；接收镜头5接收由大气的散射作用而产生的回波信号，散射信号依次进入滤光镜组6、窄带干涉滤光片7，最后进入光电转换系统8将光信号转换为电信号；电信号经小信号放大电路9后在采样保持电路10中进行信号采样，后经数模转换电路13进入计算机系统，通过计算我们得到的最终计算结果显示在显示设备15中。在整个大气能见度测量过程中，激光器及光电转换系统均由能见度控制软件 12进行控制。 

本发明基于激光后向散射式大气能见度测量仪技术指标如下： 

系统整体误差不大于±20％ 

激光器发射能量：不小于12毫焦 

波长：1.06微米 

束散角：3毫弧度 

测距频率：12次/分 

光学倍率：7倍 

光学视场：7度 

出瞳直径：≥6毫米 

出瞳距离：≥21毫米 

电源：直流12伏(±10％) 

数据接口：RS232串口 

数据格式：ASCII编码 

研究表明，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，把近红外区分成八个区段，而将透过率较高的波段称为“大气窗口”。其中最常用的是2.22～2.4微米、4.1～4.4微米、8～13微米三个大气窗口，在这些窗口之中，大气分子呈现弱吸收。考虑到可靠性及经济性，本发明采用掺钕钇铝石榴石激光器发射1.06微米的激光；对于测量仪的接收系统本发明采用硅雪崩光电探测器作为回波信号的接收器件，显示系统本发明利用Visual C++6.0这一编程环境图形化显示接收到回波信号的数据。 

系统软件设计方案：激光后向散射式能见度测量仪的软件设计部分主要对样机接收的回波信号进行处理，涉及到能见度算法及软件实现。系统的基本流程图见附图9，系统界面图见附10、11，接收的中、高增益信号图见附图12、13。 

激光后向散射式能见度测量仪软件要实现的功能和目标如下： 

·测量能见度数据上报； 

·一天能见度走势图形化查询； 

·可以图形化显示接收到回波信号的数据； 

·根据接收到的数据直接计算出大气能见度值； 

·具有良好的人机界面，操作简单、方便。 

本发明“基于激光后向散射式大气能见度测量仪”通过在武汉气象台东西湖区观测站与空军某军气象台两个阶段的大量外场试验数据证明该设备达到了设计要求。 

表1数据融合算法和算术平均算法数据对比 

从表可知：本发明测量方法测量误差均较小。 

表2天气现象与能见度范围 

序号	天气现象	能见度范围(km)
			1	轻雾、浮尘、霾、烟幕、扬沙、吹雪	1.0～10
2	雪暴	＜1.0
			3	沙尘暴、雾	0.5～1.0
4	强沙尘暴	0.2～0.5
			5	特强沙尘暴	＜0.2
6	大雾	0.1～0.5
			7	浓雾	＜0.1

使用本发明基于激光后向散射式大气能见度测量仪的步骤为： 

1、在运行能见度测量系统前请先检查发射系统是否安装正确，包括：线路是否正确连接，测量仪是否平稳。将激光器镜头置水平状态或成仰角5度左右，并确保前方2000米内无障碍物(特别注意：不要近距离将激光器镜头对着人或者玻璃窗)。 

2、打开电脑登陆“大气能见度测量系统”。 

3、单击“开始接收”按钮，使该按钮显示为“停止接收”。 

4、将发射装置的开关指向“1”，进入激光发射状态。 

5、依次按发射装置上的发射按钮，当计算按钮显示“计算能见度”时单击该按钮，计算完毕后会有图形显示所接收的信号波形。 

6、重复步步骤五，直到提示计算完成为止(共15次)，记录最后得出的能见度值。 

需要说明的是对于本专业普通的技术人员来说，在不改变本发明原理的情况下，还可以对本发明做出适当的改变和变形，这同样属于本发明的保护范围。 

Claims (1)

1.基于激光后向散射式大气能见度测量的方法，其特征在于它包括如下步骤：

①、按照中增益和高增益分别五次发射并接收激光后向散射信号，在每次接受的信号中采样400点；

②、分别计算每次采样各个断层间的消光系数，在剔除断层内误差较大点的前提下，计算断层间的平均消光系数各五个；

③、按照数据融合的算法计算整体的相对消光系数；

④、通过相对消光系数的反演来推导大气能见度。

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