CN220894563U - 一种基于后向散射的团雾监测装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于公路气象测量领域，具体涉及一种基于后向散射的团雾监测装置，包括壳体，所述壳体内设置有总控处理机构，所述总控处理机构与激光发射机构、至少两组后向散射光接收机构、红外定位机构、通信机构、电源控制机构和温湿度采集机构相连，在所述激光发射机构和后向散射光接收机构的外侧设置有激光信号隔断壁，并且激光信号隔断壁位于相邻的后向散射光接收机构之间。本申请的检测装置安装和维护便利，精准检测。本申请无需另外立杆，利用高速公路现有的立杆立柱即可安装布设，施工难度小，结构简单易于安装调试。可准确测量出1KM范围内团雾的距离和浓度，能够反应真实情况，满足实时精确的要求。

Description

一种基于后向散射的团雾监测装置

技术领域

本申请属于公路气象测量领域，具体涉及一种基于后向散射的团雾监测装置。

背景技术

当前能见度的测量方法很多，主要有如下方法：

1、人工目测。

目前，能见度的观测大都还是以人工目测为主，规范性、客观性相对较差。

2、通过大气透射仪测量

大气透射仪是通过光束透过两固定点之间的大气柱直接测量气柱透射率，以此来推算能见度的值，这种方法要求光束通过足够长的大气柱，测量的可靠性受光源及其他硬件系统工作稳定性的影响，一般只适用于中等以下能见度的观测，而在雨、雾等低能见度天气，会因水汽吸收等复杂条件造成较大误差。

3、通过前向散射能见度测量仪

前散射式能见度测量仪结构紧凑，体积小，方便安装与维护，测量范围广，光学镜头的污染对于测量所造成的误差较小，但采样体积小，需对大气做出均匀的假设，光辐射强度与散射系数的比例关系的引入也会带来想对应的误差，测量精度较之透射型比较低。

针对上述情况，现有技术也进行了相关技术改进，如专利申请号为CN202020835835.X，名称为《高寒大雾环境中公路团雾中能见度监测装置》的实用新型专利，其内容为：本实用新型提供一种高寒大雾环境中公路团雾中能见度监测装置。所述高寒大雾环境中公路团雾中能见度监测装置包括数据处理机构，与所述数据处理机构连接的充放电控制机构、视频解码机构、数据通信机构、激光功率控制机构；所述充放电控制机构还连接有电源，所述视频解码机构还连接有摄像设备。再如专利申请号为CN202222578739.3，名称为《团雾监测装置》的实用新型专利，其内容为本实用新型涉及道路气象监测设备技术领域，具体为团雾监测装置，包括壳体，所述壳体内竖向滑动连接有活塞杆，所述壳体上滑动连接有与活塞杆配合用于限制活塞杆滑动的限位组件，所述工作箱内设有与蓄电池配合的能见度仪、道路温度检测仪与道路湿度检测仪，所述壳体下端面设有T型安装板。

其中CN202020835835.X公开的结构体型庞大，需要单独立杆，不便于施工安装。并且由于装置本身体型庞大，进而设计了辅助支撑杆。但是辅助支撑杆只设计了单面，没法保证其不会从侧面倾倒，存在设计缺陷。而CN202020835835.X仅提及了能见度的检测，虽然能说明当前环境的能见度距离，但是并不能直接反映团雾的状况（团雾距测量点的距离，团雾的浓度）。

发明内容

本申请旨在解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于后向散射的团雾监测装置。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种基于后向散射的团雾监测装置，包括壳体，所述壳体内设置有总控处理机构，所述总控处理机构与激光发射机构、至少两组后向散射光接收机构、红外定位机构、通信机构、电源控制机构和温湿度采集机构相连，在所述激光发射机构和后向散射光接收机构的外侧设置有激光信号隔断壁，并且激光信号隔断壁位于相邻的后向散射光接收机构之间。

进一步地，所述激光发射机构包括激光发射和红外定位处理电路，所述激光发射和红外定位处理电路分别与905纳米激光发射机构、红外定位机构信号相连，所述905纳米激光发射机构前方安装有激光发射增强透镜。

进一步地，每组后向散射光接收机构包括激光接收处理电路，所述激光接收处理电路前方依次设置有激光接收镜头模组、激光接收滤波透镜和激光接收增强透镜。

进一步地，所述通信机构与天线相连，所述通信机构为4G通信机构。

进一步地，所述总控处理机构为意法半导体的STM32F407VET6。

进一步地，激光发射器为镭尔特光电公司的PLD905-75W-MICL半导体脉冲激光二极管模组。

进一步地，激光接收处理电路为包括有光电倍增管、放大调理电路和高速ADC采集电路。

进一步地，电源控制机构：包括12V转5V的DC-DC转换电路，双路±5V的DC-DC转换电路，5V转3.3V的 LDO转换电路。

进一步地，温湿度采集机构包括温度采集芯片和湿度采集芯片，以及与温度采集芯片和湿度采集芯片对应的驱动电路。

进一步地，所述红外定位机构包括一个开关电路和与之相连的一个红外发光管。

进一步地，所述激光信号隔断壁设置两组后向散射光接收机构之间。

本申请的优点在于：

1、本申请的检测装置安装和维护便利，精准检测。本申请无需另外立杆，利用高速公路现有的立杆立柱即可安装布设，施工难度小，结构简单易于安装调试。可准确测量出1KM范围内团雾的距离和浓度，能够反应真实情况，满足实时精确的要求。

2、本申请采用激光后向散射原理，安装简单，不受天气温度的影响。增加环境温湿度补偿，多数据融合，进行综合数据判断分析，大大增加准确性，减少错误和误报的情况发生。

3、本申请可以输出当前测量点的能见度数据，还可以测量量程范围内的团雾距监测设备的距离和团雾的浓度，是真正意义上的团雾检测装置。

4、整个设备体积小巧，整个设备仅有2.5kg，安装不要另外立杆，可以用作便携式设备使用，也可利用高速公路周边现有的立杆就可以安装。本申请利用安装支架和抱箍即可进行固定，便于调节安装角度。

5、本申请的采样体积大，测量范围广，整个激光光路范围内都是团雾的采样空间，更能真实反映测量区域的大气情况。

附图说明

图1为光的散射示意图。

图2为本申请光路范围示意图。

图3为本申请的设备内部结构示意图。

图4为设备信号和光路流向示意图。

图5为本申请的设备正视效果示意图。

附图中：1-壳体，2-主控处理器机构，3-激光发射和红外定位处理电路，4-红外定位机构，5-905纳米激光发射机构，6-激光发射增强透镜，7-激光接收增强透镜，8-激光接收滤波透镜，9-激光接收镜头模组，10-激光接收处理电路，15-电源控制机构，16-温湿度采集机构，17-通信机构，18-天线，19-激光信号隔断壁。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、 “安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

如图1和图5所示，一种基于后向散射的团雾监测装置包括壳体1，所述壳体1内设置有总控处理机构，所述总控处理机构与激光发射机构、至少两组后向散射光接收机构、红外定位机构4、通信机构17、电源控制机构15和温湿度采集机构16相连，在所述激光发射机构和后向散射光接收机构的外侧设置有激光信号隔断壁19，并且激光信号隔断壁19位于相邻的后向散射光接收机构之间。

激光发射机构包括激光发射和红外定位处理电路3，所述激光发射和红外定位处理电路3分别与905纳米激光发射机构5、红外定位机构4信号相连，所述905纳米激光发射机构5前方安装有激光发射增强透镜6。

每组后向散射光接收机构包括激光接收处理电路10，所述激光接收处理电路10前方依次设置有激光接收镜头模组9、激光接收滤波透镜8和激光接收增强透镜7。

通信机构17与天线18相连，所述通信机构17为4G通信机构17。总控处理机构为意法半导体的STM32F407VET6。激光发射器为镭尔特光电公司的PLD905-75W-MICL半导体脉冲激光二极管模组。

激光接收处理电路10为包括有光电倍增管、放大调理电路和高速ADC采集电路。

电源控制机构15包括12V转5V的DC-DC转换电路，双路±5V的DC-DC转换电路，5V转3.3V的 LDO转换电路，均为内部电源管理电路。

温湿度采集机构16包括温度采集芯片和湿度采集芯片，以及与温度采集芯片和湿度采集芯片对应的驱动电路。

红外定位机构4包括一个开关电路和与之相连的一个红外发光管。通过软件来控制开关电路，进而控制红外发光管发出红光或关闭红光。红光可以标识激光发光管的光路情况，用于安装的时候，判断激光光路是否被遮挡物遮挡。

激光信号隔断壁19设置两组后向散射光接收机构之间。

激光信号隔断壁19用于隔离发射机构发射的激光光束，避免发射的光束，直接被接收机构接收到。

本申请利用激光后向散射原理，在激光强度范围内（1KM）整条激光线路的团雾浓度和团雾距离测量，不仅仅是单点推算。

传统的前向散射的能见度设备，采样范围就比较小，采样范围局限于两个设备采样路线重合处。而本申请的设备，是整个激光光路量程的整个光路范围都是采样区域。如图2，如果团雾出现在光路范围（团雾1、团雾2或团雾3位置示例），都可以被检测到。只有类似团雾4这样的没在光路范围的才不能被检测到。

本申请的检测装置安装和维护便利，精准检测。本申请无需另外立杆，利用高速公路现有的立杆立柱即可安装布设，施工难度小，结构简单易于安装调试。可准确测量出1KM范围内团雾的距离和浓度，能够反应真实情况，满足实时精确的要求。

本申请采用激光后向散射原理，安装简单，不受天气温度的影响。增加环境温湿度补偿，多数据融合，进行综合数据判断分析，大大增加准确性，减少错误和误报的情况发生。

本申请可以输出当前测量点的能见度数据，还可以测量量程范围内的团雾距监测设备的距离和团雾的浓度，是真正意义上的团雾检测装置。

距离的计算：在激光发射时，开启定时器进行计时；当接收到激光回波信号后，关闭定时器，记录下当前的时间；当前时间-开始时间=激光运动的时间；然后通过光速*激光运动的时间/2，即可计算出团雾距离检测装置的距离；

团雾的浓度等级计算：激光接收模块，将激光的回波信号转换成电压值，然后高速AD对该电压值进行采样，通过对采样的电压值进行等级划分，即可计算出团雾的浓度等级。

整个设备体积小巧，整个设备仅有2.5kg，安装不要另外立杆，可以用作便携式设备使用，也可利用高速公路周边现有的立杆就可以安装。本申请利用安装支架和抱箍即可进行固定，便于调节安装角度。

本申请的采样体积大，测量范围广，整个激光光路范围内都是团雾的采样空间，更能真实反映测量区域的大气情况。

实施例2

如图1所示，后向散射是一种大气能见度的测量方法。其基本原理是利用光在大气中的后向散射现象，通过测量散射光的强度来推算大气中的能见度。具体来说就是本设备中包含一个激光发射机构和一个激光接收机构。激光发射机构（激光发射头）向大气中发出一束入射光，光线经过雾气时会受到散射，一部分散射光向后散射后被激光接收机构接收。激光接收机构会将接收到的散射光信号转化为电信号，然后通过计算出散射光的强度。根据大气光学理论，散射光的强度与大气中的能见度呈负相关关系。因此，通过测量散射光的强度，本设备即可计算出大气中团雾的距离和团雾的浓度。

本实施例提供了一种基于后向散射的团雾监测系统，所述系统包括控制中心、边缘计算中心、信号增强辅助模块、空气温湿度检测模块、滤波镜头模组。

参照图3所示本发明装置，包括壳体1，所述壳体1内部设置有总控处理机构，激光发射机构，红外定位机构4，激光接收机构，4G通信机构17，电源控制机构15，温湿度采集机构16，激光发射处理电路，红外定位处理电路，激光接收处理电路10，激光发射和接收均设置有光信号增强透镜，另外接收机构还前置滤波镜片。

图3中主控处理器机构2控制激光发射和红外定位处理电路3，发射905纳米的红外光线，以保证设备在安装的时候，发射的905纳米激光不被遮挡物遮挡。

后向散射光接收机构为两组，分别是图3中的激光接收增强透镜7，激光接收滤波透镜8，激光接收镜头模组9，激光接收处理电路10和激光接收增强透镜7，激光接收滤波透镜8，激光接收镜头模组9，激光接收处理电路10，通过两路数据对比增强，极大的提升了信息采样的，进而对信息的准确度提高，减少误报率。

所述图3中的温湿度采集机构16获取设备所处环境的温湿度，为后向散射光的数据提供数据补偿，为数据的准确度增强，提供补偿参数。

所述图3中的通信机构17，天线18将主控处理器处理的数据回传数据中心，为后续的监测预警提供数据支撑。

整体测量过程说明。

图1中主控处理器机构2，控制激光发射电路驱动905纳米激光发射机构5，发射905纳米的激光光束，然后905纳米激光光束经过激光发射增强透镜6进入环境中。当环境中存在团雾，由于团雾是不均匀的介质，905纳米的激光会向各个方向进行散射，其中后向散射的光会进入设备的接收机构。后向散射的光首先进入激光接收增强透镜7，对后向散射的光束进行信号放大，然后通过激光接收滤波透镜8，从增强光束信号里面滤出905纳米的散射光，再经过激光接收镜头模组9，将光信号进行转换，再经由激光接收处理电路10，将信号转换成纯数字信号，通过主控处理器机构2对两个接收机构的数据进行融合分析处理，得出团雾的浓度和距离，最后经由4G通信机构17，天线18，将采集的数据传回数据中心。

本申请的检测装置安装和维护便利，精准检测。本申请无需另外立杆，利用高速公路现有的立杆立柱即可安装布设，施工难度小，结构简单易于安装调试。可准确测量出1KM范围内团雾的距离和浓度，能够反应真实情况，满足实时精确的要求。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于后向散射的团雾监测装置，包括壳体（1），其特征在于：所述壳体（1）内设置有总控处理机构，所述总控处理机构与激光发射机构、至少两组后向散射光接收机构、红外定位机构（4）、通信机构（17）、电源控制机构（15）和温湿度采集机构（16）相连，在所述激光发射机构和后向散射光接收机构的外侧设置有激光信号隔断壁（19），并且激光信号隔断壁（19）位于相邻的后向散射光接收机构之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于后向散射的团雾监测装置，其特征在于：所述激光发射机构包括激光发射和红外定位处理电路（3），所述激光发射和红外定位处理电路（3）分别与905纳米激光发射机构（5）、红外定位机构（4）信号相连，所述905纳米激光发射机构（5）前方安装有激光发射增强透镜（6）。

3.根据权利要求1所述的一种基于后向散射的团雾监测装置，其特征在于：每组后向散射光接收机构包括激光接收处理电路（10），所述激光接收处理电路（10）前方依次设置有激光接收镜头模组（9）、激光接收滤波透镜（8）和激光接收增强透镜（7）。

4.根据权利要求1所述的一种基于后向散射的团雾监测装置，其特征在于：所述总控处理机构为意法半导体的STM32F407VET6。

5.根据权利要求2所述的一种基于后向散射的团雾监测装置，其特征在于：905纳米激光发射机构（5）为镭尔特光电公司的PLD905-75W-MICL半导体脉冲激光二极管模组。

6.根据权利要求3所述的一种基于后向散射的团雾监测装置，其特征在于：激光接收处理电路（10）为包括有光电倍增管、放大调理电路和高速ADC采集电路。

7. 根据权利要求1所述的一种基于后向散射的团雾监测装置，其特征在于：电源控制机构（15）包括12V转5V的DC-DC转换电路，双路±5V的DC-DC转换电路，5V转3.3V的 LDO转换电路。

8.根据权利要求1所述的一种基于后向散射的团雾监测装置，其特征在于：温湿度采集机构（16）包括温度采集芯片和湿度采集芯片，以及与温度采集芯片和湿度采集芯片对应的驱动电路。

9.根据权利要求1所述的一种基于后向散射的团雾监测装置，其特征在于：所述红外定位机构（4）包括一个开关电路和与之相连的一个红外发光管。

10.根据权利要求1所述的一种基于后向散射的团雾监测装置，其特征在于：所述通信机构（17）与天线（18）相连，所述通信机构（17）为4G通信机构。