CN204086139U

CN204086139U - 用于区分雾和霾的双波长激光探测系统

Info

Publication number: CN204086139U
Application number: CN201420552032.8U
Authority: CN
Inventors: 卜令兵; 高爱臻
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2024-09-24

Abstract

本实用新型设计了一种可以用来区分雾和霾的双波长激光探测系统。这个区分雾和霾的双波长激光探测系统的基本原理就是根据雾和霾在不同波长的激光中衰减程度的不同，进而得到的消光系数不同，然后根据消光系数来区分雾和霾，本系统是在已有的单波长透射式能见度仪的基础上，加上一路不同波长的激光，利用镜面的多次反射，增大光程，用硅光电池来接受返回的光信号，通过LABVIEW编程控制AD采集卡采集电信号，通过编程将采集到的数据转化为可以用来比较的消光系数，通过分析不同能见度、湿度下两波长的消光系数数值以及比值，将实验测得的数值与已有比值曲线进行比较，用来区分雾和霾。双波长激光探测系统结构简单、成本较低、探测速度较快，可以实现长时间对大气气溶胶的探测，对区分大气中雾和霾以及探测大气能见度具有较好的应用价值。

Description

用于区分雾和霾的双波长激光探测系统

技术领域：

轻雾和霾都是视程障碍现象，二者很像，出现的时候，都是空气质量下降，能见度降低，在测报实践中，常常会将二者混淆。其实二者性质不同，它们出现在不同的天气条件下，表征着不同的天气状况。由于在自然界，轻雾和霾可以互相转化，相对湿度增加时，霾粒子吸收水汽变为轻雾，而相对湿度降低时，雾滴脱水后霾粒子又再悬浮在大气中成为霾，在这转化过程中，如果没有注意到当时视程障碍现象的演变和相对湿度的变化，就容易将二者判断错误，所以寻求一个简便又实用的方法是非常有必要的。

由米氏散射理论可知，小粒子例如霾颗粒，在短波长中消散比长波长中要厉害，也就是消光系数在长波长中比较大，而对于大粒子例如雾滴，在短波长中消散比长波长要轻微，也就是消光系数在短波长中比较大。本系统就是基于这样的理论设计的，当出现雾天时，红光系统测得的消光系数比蓝光系统测得的要大；当出现霾天时，红光系统测得的消光系数比蓝光要小；当遇到由雾到霾的转变天气时，两激光系统测得的消光系数也会发生相应的变化。因此，可以判断五雾天和霾天。

背景技术

随着城市污染的不断加重，雾霾天气也是越来越频繁。雾和霾是当今天气的两大隐患，雾和霾的出现不仅对人的身体有害，而且对交通、航空带来一些不便，所以对于雾和霾的防治是非常有必要，尤其是近几年来，霾的不断出现。但是只有正确区分好雾和霾，才能采取相应的措施来治理雾和霾。

人们最初对雾和霾的判断是根据肉眼观测，因为雾和霾对能见度的影响是不同的，从能见度上讲，能见度在1公里以下的统称为雾(FG)，能见度在1公里及以上的我们叫轻雾(BR)。但是霾中的能见度一般要比大雾中要好些，一般在1公里以上但小于10公里。能见度小于1000米的霾也可能出现。

后来人工观测主要就是依据《地面气象观测规范》对雾、霾等天气现象的描述，对照当时天气形势和气象要素的变化，综合分析，正确判断天气现象的演变。主要可以从以下几点考虑：

1、形成原因：雾是由微小水滴或已湿的吸湿性质粒所构成的灰白色稀薄雾幕，是近地面层空气中水汽凝结的产物，霾是空气干燥的情况下大量极细微尘粒均匀悬浮空中而形成的。

2、颜色：雾出现时为乳白色或灰白色，而霾出现时视觉上感到一片混浊，略有灰黄色的感觉，规范上表述为：远处光亮物体微带黄、红色，黑暗物体微带蓝色。

3、出现时间：雾多在早晚或降水前后出现，而霾一天中任何时候均可出现，连续几日晴天后空气质量变差更容易出现。

4、注意观察湿度的变化：雾存在时湿度大，霾出现时湿度小。

总之，雾和霾主要的区别是雾是水汽凝结现象，形成时相对湿度大，霾是浮游在空气中的干尘粒，大气较干燥，观测时要细心观察，多总结经验，掌握天气现象的特征，根据湿度的变化，并配合形成原因、天空和四周物体的颜色进行综合判断，才能正确区分轻雾和霾，避免混淆和误记。

人工观测往往会有许多的不准确性，会有混淆或者误记的现象。另外，一些高校或者气象局会购置专门仪器来观测雾霾天气，这样观测结果虽然比较准确，但是成本比较高，而且还需要专门的工作人员去维护，而且现在的仪器设备体积较大，不便于携带。本系统通过对雾和霾消光系数的探测来区分雾霾，探测不仅结果科学可靠，而且该系统成本较低，便于携带。

另外，如果为了区分雾和霾而专门的购置仪器，专门配置值班人员和数据分析人员，成本代价很高。

发明内容：

本实用新型设计了一种可以用来区分雾和霾的双波长激光探测系统。

本实用新型的具体技术方案如下：

一种用于区分雾和霾的双波长激光探测系统，该系统主要包括：激光发射系统、激光接受系统、数据采集系统和数据处理系统；

所述激光发射系统包括两波长激光器及其调制电路，两波长激光器分别为685nm激光器和405nm激光器；所述激光接受系统分为四路，均由硅光电池和滤光片组成，其中滤光片分为两蓝光滤光片和两片红光滤光片，其中对应685nm激光器的为蓝光滤光片，对应405nm激光器的为红光滤光片；

两激光器发射的激光首先经调制电路进行调制，调制后的两路光信号分别经过一个半反射半透射镜，将激光分为两路；

685nm激光器的激光，反射的一路作为参考光由一激光接收系统接收，透射的一路直接经过大气，再经过一个全反射镜后也由一激光接收系统接收；

405nm激光器的激光，反射的一路作为参考光由一激光接收系统接收，透射的一路直接经过大气，再经过一个全反射镜后也由一激光接收系统接收；

四路激光接收系统接收的光信号均由数据采集系统采集后，再送入数据处理系统。

两波长激光器采用半导体激光器，发射波长为685nm、405nm，脉冲重复频率为2500HZ，单脉冲能量为0.02Mw/HZ，发散角为o.5毫弧度。

所述调制电路采用射极偏置电路。

所述半反射半透射镜与水平面呈45度放置。

所述数据采集系统：主要采用LABVIEW控制AD采集卡。

本实用新型这个区分雾和霾的双波长激光探测系统的基本原理就是根据雾和霾在不同波长的激光中衰减程度的不同，进而得到的消光系数不同，然后根据消光系数来区分雾和霾，本系统是在已有的单波长透射式能见度仪的基础上，加上一路不同波长的激光。首先，对激光光束进行调制，调制后的光束经过一个半透射半反射镜，分为两束光路，反射的一束光作为参考光，透射的光作为探测光直接进入大气，经过全反射镜的反射，增大光程，用硅光电池来接受返回的由滤光片过滤过光信号，并且进行光电转换，通过LABVIEW编程控制AD采集卡采集电信号，将采集的电信号通过滤波电路进行解调得到最终需要的有效主信号，通过MATALAB编程将采集到的有效数据转化为可以用来比较的消光系数并且将两波长的消光系数的比值曲线显示，通过分析两波长下的消光系数以及比值曲线，可以区分雾和霾。

本实用新型与现有技术相比具有的优点在于：

本实用新型提出一种简便的用于区分雾和霾的双波长激光探测系统，该系统成本较低方面携带。用于区分雾和霾的双波长激光探测系统根据雾和霾在不同波长中消光系数的不同来区分雾和霾，目前为止，申请人尚未查到该气象系统。

1、本实用新型可实现两波长对大气气溶胶的同时有效的探测，填补国内该技术探测的空白。

2、该系统对雾、霾的探测以及区分带来方便和改进，可以改变原有技术探测雾、霾成本高的的缺点，节约物资。

3、本实用新型可以实施全天候无人值守监控，节约人力和物力。

附图说明：

图1为本实用新型的原理图。

图2为本实用新型方法的主控流程图。

图中：11-半反射半透射镜；12-半反射半透射镜；21-全反射镜；22-全反射镜；31-蓝光滤光片；32-蓝光滤光片；41-红光滤光片；42-红光滤光片。

具体实施方式：

本实用新型设计了一种可以用来区分雾和霾的双波长激光探测系统。这个区分雾和霾的双波长激光探测系统的基本原理就是根据雾和霾在不同波长的激光中衰减程度的不同，进而得到的消光系数不同，然后根据消光系数来区分雾和霾，本系统是在已有的单波长透射式能见度仪的基础上，加上一路不同波长的激光。

主要实施方案就是，将该双波长探测系统置于大气中，当出现雾天和霾天时，由于不同波长的激光与雾和霾的作用不同，其消光系数也会不同，接受到的光信号也就不同，将接受到的光信号转换为可以接受的电信号，然后通过编程将采集到的电信号转化为可以用来比较的消光系数，通过分析两波长下的消光系数以及两波长消光系数的比值，进行区分雾和霾。

该系统由激光发射系统、激光接收系统，数据采集系统、数据分析系统、安全保护系统组成。其中，各个系统独立单元，两激光光路在工作过程中也独立工作，互不干扰，保证系统稳定性。其中，两个半导体激光器发射波长分别为685nm和405nm，调制后的激光信号受背景噪声影响小、功率稳定，可持续工作数天。其中，接收系统采用透过率较大的滤光片和反应灵敏，接受光面积较大的硅光电池，能够采集到有效关信号，并将光信号快速转换为电信号。其中，数据采集系统是LABVIEW编程控制AD采集卡采集电信号。其中，安全保护系统主要就是冷却设备，能够对长时间工作的激光器及时降温，保证激光器的正常工作。

本实用新型的系统对雾和霾天气过程如下：

1)激光器发射一道光，对光束进行调制后，光束经过一个半反射半透射镜，反射的部分光作为参考光，透射过去的光经过大气后进入到全反射镜，然后由激光接受系统分别接受参考光和经过全反射镜后返回的光；

2)激光信号首先经过激光接受系统的滤光片，由滤光片滤掉背景光，再由硅光电池接受透过的有效参考光和返回的光信号，并且将光信号转换为电信号；

3)由数据采集系统采集并且存储数据；

4)数据处理系统首先将接受到的调制信号进行解调，主要包括滤波和真值转换，滤波主要是采用与调制频率相同的中心频率的窄带滤波器去除噪声，得到有效的光强信号然后用MATALAB编程对解调后的信号进行处理，根据朗伯定律反演数据，分析得到消光系数，经比较区分雾或霾天气。

实施例一：

如图1所示，本实用新型的用于区分雾和霾的双波长激光探测系统，用主要包括：激光发射系统、激光接受系统、数据采集系统和数据处理系统；

所述激光发射系统：两波长激光器及其调制电路，两波长激光器分别为685nm激光器和405nm激光器；所述激光接受系统分为四路，均由硅光电池和滤光片组成，其中滤光片分为两蓝光滤光片(31、32)和两片红光滤光片(41、42)，其中对应685nm激光器的为蓝光滤光片，对应405nm激光器的为红光滤光片；

685nm激光器的激光，反射的一路作为参考光由一激光接收系统接收，透射的一路直接经过大气，再经过一个全反射镜21后也由一激光接收系统接收；

405nm激光器的激光，反射的一路作为参考光由一激光接收系统接收，透射的一路直接经过大气，再经过一个全反射镜22后也由一激光接收系统接收；

所述调制电路采用射极偏置电路。

所述半反射半透射镜(11、12)与水平面呈45度放置，可以将光路均分为两束，一束作为参考光，一束作为出射光。

所述数据采集系统：主要用LABVIEW控制AD采集卡，对采集通道、接受的电信号的采样频率和采样长度进行控制。

实施例二：

如图2所示，使用上述系统进行探测的步骤是：

激光发射系统控制半导体激光器产生685nm、405nm波长的激光调制并且发射，经过一个半透射半反射镜，分为两束光路，反射的一束光作为参考光，透射的光作为探测光直接进入大气，经过全反射镜的反射，增大光程。利用滤光片和硅光电池来接受返回的光信号，光信号转化为电信号。数据采集系统中利用采样率为60M/s的数据采集卡采集电信号。由数据分析系统将采集的电信号进行解调、分析，通过消光系数的反演过程进行数据反演，然后结合实验测得的消光系数以及两波长消光系数比值与不同温度、湿度下两波长消光系数比值曲线进行对比，然后具体的天气状况来区分雾和霾。

消光系数的计算是根据郞伯—比尔定律得到的，当一束激光通过大气时，满足以下公式：

I＝I₀*e^-ax

式中，I₀和I分别是入射光强和出射光强，x为光束透过大气的有效长度，α为大气对光的消光系数。

大气中除了包含气溶胶外，还含有氧气和二氧化碳等大气分子，所以有：

α＝β+γ

式中，β与γ分别就是大气气溶胶和大气分子的消光系数。

根据上面的两个公式，只有测出激光的入射和出射的光强、大气分子的消光系数，就可以得到大气气溶胶的消光系数。到那时在实际反演过程中，大气分子的消光系数一般忽略不计，所以上面式中就可以直接算出气溶胶的消光系数。

本系统消光系数策略的基本原理：

本系统是使用两个波长，四通道测量方法，每一波长光路有两个通道，每一波长光路利用半透射半反射镜将入射光分为两束，透过的光路直接进入普通大气，经过全反射镜反射滤光片后进入硅光电池，反射光路则直接进入通过滤光片硅光电池，由硅光电池将光信号转化为电信号，然后进入数据采集系统，由labview控制AD采集卡进行数据采集并且存储。

设m₁为半透射半反射镜的分束系数，m₂为全反射镜的反射系数，I₀为光的入射光强，I₁、I₂分别为AD采集到的两路光强，则有：

I₁＝m₁*m₂I₀e^-(β+γ)*x

I₂＝(1-m₁)*I₀*e^-γ*x

β与γ分别为大气气溶胶和大气分子的消光系数，在此探测系统中，大气分子的消光系数忽略不计。则

\begin{matrix} I_{1} = m_{1} * m_{2} * I_{0} * e^{- βx} \\ I_{2} = (1 - m_{1}) * I_{0} \end{matrix},

为了减小误差，利用采集到的参考光强来求出入射光强，则有：

I_{0} = \frac{I_{2}}{(1 - m_{1})}, I_{1} = m_{1} * m_{2} * \frac{I_{2}}{(1 - m_{1})} * e^{- βx},

则消光系数

β = \frac{1}{x * \ln (\frac{I_{1} (1 - m_{1})}{m_{1} * m_{2} * I_{2}})},

式中，m₁、m₂是已知的，I₁、I₂是通过实验测得的，x是有效光程，也是可以直接测得，这样以来就可以直接代入公式算出消光系数。

由于不同波长的激光测得的I₁、I₂是不同的，雾天和霾天测得的同一波长的测得的I₁、I₂也是不同的，计算得到的消光系数就会不同，并且雾天和霾天不同波长测得的消光次数遵循一定的规律，因此根据这个规律就可以区分出雾和霾。

Claims

1.一种用于区分雾和霾的双波长激光探测系统，该系统主要包括：激光发射系统、激光接受系统、数据采集系统和数据处理系统，其特征是：

2.根据权利要求1所述的激光探测系统，其特征是：两波长激光器采用半导体激光器，发射波长为685nm、405nm，脉冲重复频率为2500HZ，单脉冲能量为0.02Mw/HZ，发散角为o.5毫弧度。

3.根据权利要求1所述的激光探测系统，其特征是：所述调制电路采用射极偏置电路。

4.根据权利要求1所述的激光探测系统，其特征是：所述半反射半透射镜与水平面呈45度放置。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的激光探测系统，其特征是：所述数据采集系统主要采用LABVIEW控制AD采集卡。