專利名稱：一種半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交通、氣象、環(huán)保和軍事等領(lǐng)域中使用的能見(jiàn)度儀，具體涉及一 種半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
能見(jiàn)度是氣象觀測(cè)中的常規(guī)項(xiàng)目，它反映了大氣的渾濁程度，低能見(jiàn)度情況 如大霧天氣會(huì)影響交通安全、軍事行動(dòng)等。目前水平能見(jiàn)度的測(cè)量已經(jīng)比較準(zhǔn)確， 較為成熟的產(chǎn)品有大氣透射儀等。由于大氣豎直方向分布并不均勻，大氣能見(jiàn)度 會(huì)隨高度增加而減小，因此，斜視方向的能見(jiàn)度與水平測(cè)量得到的能見(jiàn)度會(huì)有較 大差異。當(dāng)存在地表霧時(shí)，水平能見(jiàn)度很低而斜程能見(jiàn)度較高，根據(jù)水平能見(jiàn)度 判斷可能造成機(jī)場(chǎng)關(guān)閉；當(dāng)存在低層云時(shí)，水平能見(jiàn)度較高而斜程能見(jiàn)度較低， 此時(shí)根據(jù)水平能見(jiàn)度判斷則會(huì)給飛機(jī)降落帶來(lái)危險(xiǎn)。
而現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)測(cè)量?jī)x器大都只能測(cè)量水平方向能見(jiàn)度，無(wú)法給出斜視方向能 見(jiàn)度的信息。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀，該系統(tǒng)可快速檢 測(cè)水平及斜程能見(jiàn)度，并且探測(cè)角度可任意調(diào)整，擴(kuò)大了檢測(cè)范圍和功能，穩(wěn)定 的反演迭代算法提高了檢測(cè)速度和檢測(cè)精度，克服了以往激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀體積 大、成本高、使用復(fù)雜、推廣普及難等不足。該激光雷達(dá)體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、 使用方便，可任意調(diào)整測(cè)量角度，實(shí)現(xiàn)水平及斜程能見(jiàn)度測(cè)量的任意轉(zhuǎn)換。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的方案為
一種半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)
采集和控制系統(tǒng)，其特征在于所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括有半導(dǎo)體激光器、耦合透
鏡、第一耦合光纖、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和具有透射反射功能的平面鏡，所述半導(dǎo)體激光
器的出射口設(shè)置有耦合透鏡，所述耦合透鏡的焦點(diǎn)處設(shè)置有第一耦合光纖，所述
第一耦合光纖的出光口設(shè)置于激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處，所述發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的前端 設(shè)有一個(gè)具有透射反射功能的平面鏡，從具有透射反射功能的平面鏡反射的部分激光被設(shè)置于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)處的光電二極管接收，所述光電二極管將接收到的 信號(hào)輸入到門控，門控輸出觸發(fā)信號(hào)至計(jì)算機(jī)和采集卡；所述接收光學(xué)系統(tǒng)包括 有接收望遠(yuǎn)鏡、第二耦合光纖、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器，所述接收望遠(yuǎn)鏡前端 設(shè)有濾光片，焦點(diǎn)處設(shè)置有第二耦合光纖，激光經(jīng)散射回來(lái)經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡接收后， 由第二耦合光纖從接收望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處將激光傳送到光電探測(cè)器，所述光電探測(cè) 器的信號(hào)輸入放大器放大后再接入計(jì)算機(jī)；所述信號(hào)采集控制系統(tǒng)包括有AD采 集卡、計(jì)算機(jī)及門控系統(tǒng)，所述AD采集卡與計(jì)算機(jī)采用堆疊式連接，由接收望 遠(yuǎn)鏡接收到的激光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器檢測(cè)和放大器放大后，由AD采集卡進(jìn)行采 樣、AD轉(zhuǎn)換，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等處理，所述計(jì)算機(jī)通過(guò)輸出電壓控 制信號(hào)到激光器控制激光器發(fā)射激光的脈寬和能量，所述AD采集卡和計(jì)算機(jī)均 由門控系統(tǒng)觸發(fā)。
半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度探測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟
(1) 、設(shè)置一個(gè)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，將半導(dǎo)體激光器的出射激光經(jīng)過(guò)耦合透鏡后， 由光纖輸送到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡發(fā)射光束，發(fā)射光束方向可水平或斜向任意調(diào)節(jié)，連續(xù) 發(fā)射；部分發(fā)射光經(jīng)反射由光電二極管接收，光電二極管接收后輸出信號(hào)給門控 系統(tǒng)作為控制觸發(fā)信號(hào)；
(2) 、通過(guò)接收望遠(yuǎn)鏡接收大氣后向散射信號(hào)，將采集到的后向散射信號(hào)進(jìn) 行累計(jì)疊加取平均，扣除背景噪聲即可得到所需的激光后向散射信號(hào)；
(3) 、根據(jù)Fernald消光系數(shù)反演理論，采用一種穩(wěn)定的消光系數(shù)迭代方法 對(duì)歩驟(2)中獲得的后向散射信號(hào)進(jìn)行迭代處理，得到激光傳輸路徑上各點(diǎn)大 氣消光系數(shù)，將各點(diǎn)消光系數(shù)平均后得到的大氣平均消光系數(shù)代入能見(jiàn)度公式即 可得到能見(jiàn)度值
大氣氣溶膠消光系數(shù)可以由以下公式求得
l w=--^-^-
其中，X(R)為距離修正信號(hào)，由公式義(/ )-P(w)/ Vr(w)求得，其中P(R)為激
光雷達(dá)接收到的信號(hào)功率，Y(R)為激光雷達(dá)系統(tǒng)的幾何重疊因子，R為探測(cè)距離， &、 Sm分別為大氣氣溶膠的消光一后向散射比和大氣分子的消光一后向散射比，A/W與A(^分別是大氣氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(shù)，均為常數(shù)，為CRm)代表 測(cè)量距離(含有噪聲)末端的氣溶膠消光系數(shù)估計(jì)值，Rm為最大探測(cè)距離； 大氣分子消光系數(shù)可以由以下公式求得-<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，A為激光波長(zhǎng)；
分別求得大氣氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù)后，可以知道總的消光系數(shù)
<formula>formula see original document page 6</formula>
將總的消光系數(shù)代入公式crw-^(^r8^ (A為激光波長(zhǎng))，就可以得到
K 乂
能見(jiàn)度值，由于這里的消光系數(shù)為激光傳輸路徑上各點(diǎn)消光系數(shù)平均值，所以得
到的能見(jiàn)度值也為整層路徑平均能見(jiàn)度值；
(4) 、系統(tǒng)設(shè)定固定時(shí)間間隔重復(fù)步驟(1)、 (2)、 (3)，就可以進(jìn)行連續(xù)自 動(dòng)測(cè)量，得到被測(cè)量地區(qū)不同時(shí)間段內(nèi)的能見(jiàn)度。
(5) 、如果需要測(cè)量不同角度方向的能見(jiàn)度，只需在系統(tǒng)參數(shù)中更改所需角 度方向的信息，就可以連續(xù)自動(dòng)測(cè)量所需方向的能見(jiàn)度值。
本發(fā)明的有益效果-
(1) 、裝置結(jié)構(gòu)小巧輕便，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)一體化，機(jī)械加工精度要求不高， 成本較低；
(2) 、適用性強(qiáng)，可以任意調(diào)整角度進(jìn)行多仰角測(cè)量，可以任意調(diào)整測(cè)量位 置無(wú)需固定安裝，且方便與現(xiàn)有水平能見(jiàn)度儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)試；
(3) 、系統(tǒng)全固化和模塊化結(jié)構(gòu)，無(wú)需太多調(diào)整，操作簡(jiǎn)單，無(wú)需專業(yè)人員 即可操作；
(4) 、采用一種穩(wěn)定的消光系數(shù)反演迭代算法，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)量；
(5) 、系統(tǒng)可設(shè)定不同探測(cè)時(shí)間間隔，實(shí)時(shí)顯示能見(jiàn)度值。


圖1為本發(fā)明裝置的光路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明裝置經(jīng)過(guò)多次測(cè)量反演得到的系統(tǒng)重疊因子；圖3為本發(fā)明裝置經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量的實(shí)際信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1， 一種半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、接收光學(xué) 系統(tǒng)、信號(hào)采集和控制系統(tǒng)，激光發(fā)射系統(tǒng)包括有半導(dǎo)體激光器K耦合透鏡2、 第一耦合光纖3、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡4和具有反射透射功能的平面鏡5，半導(dǎo)體激光器 1的出射口設(shè)置有耦合透鏡2，耦合透鏡2的焦點(diǎn)處設(shè)置有第一耦合光纖3，第 一耦合光纖3的出光口設(shè)置于激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡4的焦點(diǎn)處，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡4的前端 設(shè)有一個(gè)具有反射透射功能的平面鏡5，從具有反射透射功能的平面鏡5上反射 的部分激光被設(shè)置于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)處的光電二極管6接收，光電二極管6將接 收到的信號(hào)輸入到門控，門控輸出觸發(fā)信號(hào)至嵌入式計(jì)算機(jī)7和AD采集卡；接 收光學(xué)系統(tǒng)包括有接收望遠(yuǎn)鏡8、第二耦合光纖9、光電探測(cè)器IO，接收望遠(yuǎn)鏡 前端設(shè)有濾光片ll，焦點(diǎn)處設(shè)置有第二耦合光纖9，激光經(jīng)反射回來(lái)經(jīng)接收望遠(yuǎn) 鏡8接收后，由第二耦合光纖9從接收望遠(yuǎn)鏡8的焦點(diǎn)處將激光傳送到光電探測(cè) 器10，所述光電探測(cè)器10采用光電倍增管PMT，光電探測(cè)器的信號(hào)輸入嵌入式 計(jì)算機(jī)7;信號(hào)采集控制系統(tǒng)包括有AD采集卡、嵌入式計(jì)算機(jī)7及門控系統(tǒng)，AD 采集卡與計(jì)算機(jī)采用堆疊式連接；由接收望遠(yuǎn)鏡接收到的激光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器 檢測(cè)和放大器放大后，由AD采集卡進(jìn)行采樣、AD轉(zhuǎn)換，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù) 分析等處理，計(jì)算機(jī)通過(guò)輸出電壓控制信號(hào)控制激光器發(fā)射激光的脈寬和能量， 所述嵌入式計(jì)算機(jī)和AD采集卡由門控觸發(fā)控制。
參見(jiàn)圖2、 3，半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度探測(cè)方法，包括以下歩驟
(1) 、將本發(fā)明裝置放置于空曠的平地上，調(diào)整好傾斜角度；
(2) 、設(shè)接通電源，發(fā)射激光，發(fā)射光束方向可任意調(diào)節(jié)到所需方向，接收 后向散射的激光信號(hào)，連續(xù)發(fā)射激光脈沖；并截取部分發(fā)射光束由光電二極管接 收，光電二極管接收后輸出信號(hào)給門控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)作為控制觸發(fā)信號(hào)；
(3) 、根據(jù)Fernald消光系數(shù)反演理論，采用一種穩(wěn)定的消光系數(shù)迭代方法 對(duì)歩驟(2)中獲得的后向散射信號(hào)進(jìn)行迭代處理，得到激光傳輸路徑上各點(diǎn)大 氣消光系數(shù)，將各點(diǎn)消光系數(shù)平均后得到的大氣平均消光系數(shù)代入能見(jiàn)度公式即 可得到能見(jiàn)度值
(4) 、系統(tǒng)設(shè)定固定時(shí)間間隔重復(fù)歩驟(1)、 (2)、 (3)，就可以進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)測(cè)量，得到被測(cè)量地區(qū)不同時(shí)間段內(nèi)的能見(jiàn)度。
(5)、如果需要測(cè)量不同角度方向的能見(jiàn)度，只需在系統(tǒng)參數(shù)中更改所需角 度方向的信息，就可以連續(xù)自動(dòng)測(cè)量所需方向的能見(jiàn)度值。
大氣氣溶膠消光系數(shù)可以由以下公式求得
単)exp[-2(S。 -Sjf & W*] W =-JT^l-^-^-^-
其中，X(R)為距離修正信號(hào)，由公式1(/ )=尸(7 )/ 2/)^ )求得，其中P(R)為激
光雷達(dá)接收到的信號(hào)功率，Y(R)為激光雷達(dá)系統(tǒng)的幾何重疊因子，R為斜測(cè)距離， &、 Sm分別為大氣氣溶膠的消光一后向散射比和大氣分子的消光一后向散射比， A/W與A，("分別是大氣氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(shù)，均為常數(shù)，為ff。(Rm)代表 測(cè)量距離(含有噪聲)末端的氣溶膠消光系數(shù)估計(jì)值，Rm為最大探測(cè)距離。 大氣分子消光系數(shù)可以由以下公式求得
Afe義)d.54xl0—3eXp(-7)(^)4
0 (2,義)=凡(2,義)5冗
其中，A為激光波長(zhǎng)；
分別求得大氣氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù)后，可以知道總的消光系數(shù)
<T 二 (T" + CTW
將總的消光系數(shù)代入公式CT(義^^(^),"(人為激光波長(zhǎng))，就可以得到
能見(jiàn)度值，由于這里的消光系數(shù)為激光傳輸路徑上的平均消光系數(shù)，所以得到的
能見(jiàn)度值也為整層路徑平均能見(jiàn)度值；
(6) 、重復(fù)步驟(1)、 (2)、 (3)、 (4)、 (5)就可以獲得不同仰角方向、不 同時(shí)間段內(nèi)的多組能見(jiàn)度信息；
(7) 、綜合比較后最終獲得較為可靠的能見(jiàn)度信息。 本發(fā)明半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀不局限于上述探測(cè)方法，例如可以將該儀
器安裝在高速公路各個(gè)不同路段，實(shí)時(shí)探測(cè)水平能見(jiàn)度，并將能見(jiàn)度信息通過(guò)網(wǎng) 絡(luò)加入高速公路管理系統(tǒng)，提供準(zhǔn)確可靠的交通信息，避免因能見(jiàn)度低而造成的 重特大交通事故。
權(quán)利要求
1、一種半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)采集和控制系統(tǒng)，其特征在于所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括有半導(dǎo)體激光器、耦合透鏡、第一耦合光纖、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和具有透射反射功能的平面鏡，所述半導(dǎo)體激光器的出射口設(shè)置有耦合透鏡，所述耦合透鏡的焦點(diǎn)處設(shè)置有第一耦合光纖，所述第一耦合光纖的出光口設(shè)置于激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處，所述發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的前端設(shè)有一個(gè)具有透射反射功能的平面鏡，從具有透射反射功能的平面鏡反射的部分激光被設(shè)置于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)處的光電二極管接收，所述光電二極管將接收到的信號(hào)輸入到門控，門控輸出觸發(fā)信號(hào)至計(jì)算機(jī)和采集卡；所述接收光學(xué)系統(tǒng)包括有接收望遠(yuǎn)鏡、第二耦合光纖、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器，所述接收望遠(yuǎn)鏡前端設(shè)有濾光片，焦點(diǎn)處設(shè)置有第二耦合光纖，激光經(jīng)散射回來(lái)經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡接收后，由第二耦合光纖從接收望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處將激光傳送到光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器的信號(hào)輸入放大器放大后再接入計(jì)算機(jī)；所述信號(hào)采集控制系統(tǒng)包括有AD采集卡、計(jì)算機(jī)及門控系統(tǒng)，所述AD采集卡與計(jì)算機(jī)采用堆疊式連接，由接收望遠(yuǎn)鏡接收到的激光信號(hào)經(jīng)光電探測(cè)器檢測(cè)和放大器放大后，由AD采集卡進(jìn)行采樣、AD轉(zhuǎn)換，再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等處理，所述計(jì)算機(jī)通過(guò)輸出電壓控制信號(hào)到激光器控制激光器發(fā)射激光的脈寬和能量，所述AD采集卡和計(jì)算機(jī)均由門控系統(tǒng)觸發(fā)。
2、 半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度探測(cè)方法，其特征在于包括以下歩驟(1) 、設(shè)置一個(gè)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，將半導(dǎo)體激光器的出射激光經(jīng)過(guò)耦合透鏡后， 由光纖輸送到發(fā)射望遠(yuǎn)鏡發(fā)射光束，發(fā)射光束方向可水平或斜向任意調(diào)節(jié)，連續(xù) 發(fā)射；部分發(fā)射光經(jīng)反射由光電二極管接收，光電二極管接收后輸出信號(hào)給門控 系統(tǒng)作為控制觸發(fā)信號(hào)；(2) 、通過(guò)接收望遠(yuǎn)鏡接收大氣后向散射信號(hào)，將采集到的后向散射信號(hào)進(jìn) 行累計(jì)疊加取平均，扣除背景噪聲即可得到所需的激光后向散射信號(hào)；(3) 、根據(jù)Fernald消光系數(shù)反演理論，采用一種穩(wěn)定的消光系數(shù)迭代方法 對(duì)歩驟(2)中獲得的后向散射信號(hào)進(jìn)行迭代處理，得到激光傳輸路徑上各點(diǎn)大 氣消光系數(shù)，將各點(diǎn)消光系數(shù)平均后得到的大氣平均消光系數(shù)代入能見(jiàn)度公式即 可得到能見(jiàn)度值大氣氣溶膠消光系數(shù)可以由以下公式求得<formula>formula see original document page 3</formula>其中，X(R)為距離修正信號(hào)，由公式義(R)-p(w)f/;r(7 )求得，其中P(R)為激光雷達(dá)接收到的信號(hào)功率，Y(R)為激光雷達(dá)系統(tǒng)的幾何重疊因子，R為探測(cè)距離， &、 Sm分別為大氣氣溶膠的消光一后向散射比和大氣分子的消光一后向散射比， A/"與A,(W分別是大氣氣溶膠和大氣分子的后向散射系數(shù)，均為常數(shù)，為 (Rm)代表 測(cè)量距離(含有噪聲)末端的氣溶膠消光系數(shù)估計(jì)值，Rm為最大探測(cè)距離； 大氣分子消光系數(shù)可以由以下公式求得凡(2,義)=1.54><10-3exp(-譯)(乎)4其中，A為激光波長(zhǎng)；分別求得大氣氣溶膠和大氣分子的消光系數(shù)后，可以知道總的消光系數(shù)將總的消光系數(shù)代入公式cTW-^(^r8^ (x為激光波長(zhǎng))，就可以得到 能見(jiàn)度值，由于這里的消光系數(shù)為激光傳輸路徑上各點(diǎn)消光系數(shù)平均值，所以得到的能見(jiàn)度值也為整層路徑平均能見(jiàn)度值；(4) 、系統(tǒng)設(shè)定固定時(shí)間間隔重復(fù)歩驟(1)、 (2)、 (3)，就可以進(jìn)行連續(xù)自 動(dòng)測(cè)量，得到被測(cè)量地區(qū)不同時(shí)間段內(nèi)的能見(jiàn)度。(5) 、如果需要測(cè)量不同角度方向的能見(jiàn)度，只需在系統(tǒng)參數(shù)中更改所需角 度方向的信息，就可以連續(xù)自動(dòng)測(cè)量所需方向的能見(jiàn)度值。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體激光雷達(dá)能見(jiàn)度儀，包括有激光發(fā)射系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)采集和控制系統(tǒng)，其特征在于所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括有半導(dǎo)體激光器、耦合透鏡、第一耦合光纖、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和具有反射透射功能的平面鏡，所述接收光學(xué)系統(tǒng)包括有接收望遠(yuǎn)鏡、第二耦合光纖、光電探測(cè)器、放大器，所述信號(hào)采集控制系統(tǒng)包括有AD采集卡、計(jì)算機(jī)及門控系統(tǒng)，所述AD采集卡與計(jì)算機(jī)采用堆疊式連接。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)小巧輕便，適用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)時(shí)測(cè)量水平及斜程能見(jiàn)度數(shù)據(jù)，為氣象、交通、環(huán)保和軍事等領(lǐng)域提供可靠的能見(jiàn)度信息。
文檔編號(hào)G01S17/00GK101581786SQ200910117120
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者磊 唐, 孫東松, 斌 岳, 沈法華, 舒志峰, 董吉輝, 董晶晶 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所