專利名稱：基于ccd激光雷達的水平能見度的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光探測領(lǐng)域，具體是利用CCD激光雷達探測大氣水平能見度的方法。
背景技術(shù)：
大氣能見度是描述大氣混濁的參數(shù)。美國氣象學(xué)會定義為，觀測人員在正常視力情況下，在白天，以霧或天空作背景能看到和辨認出在地面附近一個大小適度的黑色目標物的最大距離；在夜間，則為能看到和識別中等強度的燈光的最大距離。對于能見度的測量可分為目測和器測兩大類。目測主要是由經(jīng)過訓(xùn)練的有經(jīng)驗的觀測人員對不同距離上固定目標進行識別，這與觀測者以及觀測者當時的身體狀況、目標物的距離分辨率上都有關(guān)系，因此觀測的能見度值受人的主觀性影響很大。而器測能見度就相對來說更為客觀些。在儀器測量中根據(jù)測量的方式和基于的原理不同可分為透射型能見度儀、散射式能見度儀。在散射式能見度儀中根據(jù)信號散射的方式不同分為總散射儀、后向散射儀和前向散射儀三種?？傮w來說透射型和散射型代表了能見度儀的兩種發(fā)展趨勢。激光雷達直接利用后向散射來探測能見度。早期由于激光雷達的成本高，同時能見度測量僅僅是激光雷達的應(yīng)用之一，所以利用激光雷達測量能見度的推廣應(yīng)用受到極大的限制，隨著激光技術(shù)和探測技術(shù)的發(fā)展，利用后向散射式原理測量能見度的技術(shù)也逐漸成熟，其制造成本也隨之下降，研制后向散射式激光雷達探測能見度開始發(fā)展。目前，用于探測水平能見度的激光雷達系統(tǒng)一般采用脈沖式激光器、接收部分使用望遠鏡和光電探測器如雪崩管光電二極管、光電倍增管等組成的系統(tǒng)。存在以下三個方面的不足首先是系統(tǒng)比較復(fù)雜、體積較大、重量較重、不易移動和運輸，限制了它的應(yīng)用范圍；其次價格貴；第三光電探測器如雪崩管光電二極管、光電倍增管量子效率低導(dǎo)致單次測量時間長(一般大于3分鐘)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于CCD的激光雷達的大氣水平能見度測量方法，以連續(xù)激光為發(fā)射光源，利用CCD攝像機接收來自幾公里內(nèi)的激光回波信號，通過計算機對激光回波圖像進行分析處理，得到大氣消光系數(shù)，從而求出大氣水平能見度的大小。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于CXD激光雷達的大氣水平能見度的測量方法，其特征在于，包括有CXD激光雷達系統(tǒng)，C⑶激光雷達系統(tǒng)包括有以下裝置激光發(fā)射部分、光學(xué)接收部分和數(shù)據(jù)采集部分，激光發(fā)射部分包括激光器、準直器，光學(xué)接收部分主要包括CCD攝像機、濾光片，濾光片位于CCD攝像機的鏡頭前方，數(shù)據(jù)采集部分包括有計算機，CCD攝像機與計算機通訊連接；測量過程如下激光器發(fā)射激光水平射向大氣，激光路徑無遮擋物，CCD攝像機與激光器成微小角度，CCD攝像機將激光回波信號完全接收，通過計算機采集、處理激光回波圖像；激光回波圖像主要由幾列光點和背景組成，幾列長條光點為大氣后項散射回波信號，由密到疏對應(yīng)距離分布，像素距離分辨不是相等的，近處距離分辨高，遠處距離分辨低；
大氣水平能見度的計算步驟為I)對采集得到的激光回波圖像進行平場，再對圖像進行裁減保留包含激光回波和部分背景圖像(平場方法為使用所述的CCD激光雷達系統(tǒng)對準光線分布均勻背景進行圖像采集，對圖像進行歸一化，保存此背景圖像到的數(shù)據(jù)用于對系統(tǒng)采集得到的激光回波圖像進行平場)；2)從激光回波圖像中逐行提取背景，將每行各列減去背景圖像值，對每行各列值進行合并，獲得一維激光回波信號；3)進行距離幾何校正，獲得激光回波信號隨不同距離的分布；4)最后，根據(jù)以下原理和公式計算反演得到大氣水平能見度數(shù)值激光光束通過大氣時，大氣會對激光光束產(chǎn)生散射作用，其吸收作用在這532nm波長中可以忽略；設(shè)大氣水平均勻，CCD攝像機接收到的距離R處的大氣后向散射回波功率P(R)由下面的方程決定P (R) = P0CIT2 3 exp (_2 a HR) (I)式中，Ptl為激光發(fā)射功率(W) ；C是CXD激光雷達的系統(tǒng)常數(shù)(Wkm3Sr1) ； ^是大氣水平后向散射系數(shù)GfflT1Sr-1) ; CIh是大氣水平消光系數(shù)(km—1)；對⑴式取對數(shù)并對距離R求導(dǎo)得V V W ”二~~2aH(2)
dRP dR H 由于已假定大氣水平均勻，C = 0 ;因此，對In (P (R) R2)和R進行最小二乘法
P dR
線性擬合，擬合直線的斜率的一半則為532nm波長的大氣水平消光系數(shù)a H，此即所謂的斜率法；由于532nm與550nm兩個波長相靠很近，故可以用532nm波長的大氣水平消光系數(shù)a H作為550nm波長的大氣水平消光系數(shù)；大氣水平能見度V與550nm波長的大氣水平消光系數(shù)a H之間的關(guān)系如下
T, Insr 3.912,0、V =--=----(3)
OChOCh由(3)式得到大氣水平能見度V。所述的激光器為連續(xù)型激光器，波長為532nm，激光能量為1W。本發(fā)明的主要優(yōu)點是I)光學(xué)接收部分使用CCD攝像機獲取激光回波信號，CCD攝像機的光電轉(zhuǎn)換效率聞;2)使用連續(xù)型激光器，提高時間分辨率；3)水平能見度的探測誤差小于10% ；4)白天和夜晚可連續(xù)運轉(zhuǎn)；5)探測快速，一般天氣條件下，大氣水平能見度的探測周期為30秒；
6)結(jié)構(gòu)簡潔、體積小、重量輕，便于攜帶和移動，適用于外場使用；7)應(yīng)用前景廣泛，可用于海港、公路交通和大多數(shù)軍用、民用機場、環(huán)境監(jiān)測及氣象部門等。


圖I為本發(fā)明的CCD激光雷達系統(tǒng)的總體光電結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為利用本發(fā)明探測的探測結(jié)果示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，基于CXD激光雷達的大氣水平能見度的測量方法，包括有CXD激光雷達系統(tǒng)，C⑶激光雷達系統(tǒng)包括有以下裝置激光發(fā)射部分、光學(xué)接收部分和數(shù)據(jù)采集部分，激光發(fā)射部分包括激光器I、準直器2，光學(xué)接收部分主要包括CXD攝像機3、濾光片4，濾光片4位于CCD攝像機3的鏡頭前方，數(shù)據(jù)采集部分包括有計算機5，CCD攝像機3與計算機5通訊連接；測量過程如下激光器I發(fā)射激光水平射向大氣，激光路徑無遮擋物，CCD攝像機3與激光器I成微小角度，CXD攝像機3將激光回波信號完全接收，通過計算機5采集、處理激光回波圖像；激光回波圖像主要由幾列光點和背景組成，幾列長條光點為大氣后項散射回波信號，由密到疏對應(yīng)距離分布，像素距離分辨不是相等的，近處距離分辨高，遠處距離分辨低；大氣水平能見度的計算步驟為I)對采集得到的激光回波圖像進行平場，再對圖像進行裁減保留包含激光回波和部分背景圖像(平場方法為使用所述的CCD激光雷達系統(tǒng)對準光線分布均勻背景進行圖像采集，對圖像進行歸一化，保存此背景圖像到的數(shù)據(jù)用于對系統(tǒng)采集得到的激光回波圖像進行平場)；2)從激光回波圖像中逐行提取背景，將每行各列減去背景圖像值，對每行各列值進行合并，獲得一維激光回波信號；3)進行距離幾何校正，獲得激光回波信號隨不同距離的分布；4)最后，根據(jù)以下原理和公式計算反演得到大氣水平能見度數(shù)值激光光束通過大氣時，大氣會對激光光束產(chǎn)生散射作用，其吸收作用在這532nm波長中可以忽略；設(shè)大氣水平均勻，CCD攝像機接收到的距離R處的大氣后向散射回波功率P(R)由下面的方程決定P (R) = PciCIT2 3 exp (-2 a HR) (I)
式中，Ptl為激光發(fā)射功率(W) ；C是CXD激光雷達的系統(tǒng)常數(shù)(Wkm3Sr1) ； ^是大氣水平后向散射系數(shù)GfflT1Sr-1) ; Cih是大氣水平消光系數(shù)(km—1)；對⑴式取對數(shù)并對距離R求導(dǎo)得V V W ”二—~--2 ⑵
dRP dR H
由于已假定大氣水平均勻，故
權(quán)利要求
1.一種基于CXD激光雷達的大氣水平能見度的測量方法，其特征在于，包括有CXD激光雷達系統(tǒng)，C⑶激光雷達系統(tǒng)包括有以下裝置激光發(fā)射部分、光學(xué)接收部分和數(shù)據(jù)采集部分，激光發(fā)射部分包括激光器、準直器，光學(xué)接收部分主要包括CCD攝像機、濾光片，濾光片位于CCD攝像機的鏡頭前方，數(shù)據(jù)采集部分包括有計算機，CCD攝像機與計算機通訊連接； 測量過程如下激光器發(fā)射激光水平射向大氣，激光路徑無遮擋物，CCD攝像機與激光器成微小角度，CCD攝像機將激光回波信號完全接收，通過計算機采集、處理激光回波圖像； 激光回波圖像主要由幾列光點和背景組成，幾列長條光點為大氣后項散射回波信號，由密到疏對應(yīng)距離分布，像素距離分辨不是相等的，近處距離分辨高，遠處距離分辨低； 大氣水平能見度的計算步驟為 1)對采集得到的激光回波圖像進行平場，再對圖像進行裁減保留包含激光回波和部分背景圖像(平場方法為使用所述的CCD激光雷達系統(tǒng)對準光線分布均勻背景進行圖像采集，對圖像進行歸一化，保存此背景圖像到的數(shù)據(jù)用于對系統(tǒng)采集得到的激光回波圖像進行平場)； 2)從激光回波圖像中逐行提取背景，將每行各列減去背景圖像值，對每行各列值進行合并，獲得一維激光回波信號； 3)進行距離幾何校正，獲得激光回波信號隨不同距離的分布； 4)最后，根據(jù)以下原理和公式計算反演得到大氣水平能見度數(shù)值 激光光束通過大氣時，大氣會對激光光束產(chǎn)生散射作用，其吸收作用在這532nm波長中可以忽略；設(shè)大氣水平均勻，CCD攝像機接收到的距離R處的大氣后向散射回波功率P(R)由下面的方程決定P (R) = P0CIT2 3 exp (-2 aHR) (I) 式中，Ptl為激光發(fā)射功率(W);(是CCD激光雷達的系統(tǒng)常數(shù)(Wkm3Sr1) 是大氣水平后向散射系數(shù)GfflT1Sr-1) ; Cih是大氣水平消光系數(shù)(km—1)； 對(I)式取對數(shù)并對距離R求導(dǎo)得
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于CCD激光雷達的大氣水平能見度的測量方法，其特征在于，所述的激光器為連續(xù)型激光器，波長為532nm，激光能量為1W。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CCD激光雷達的大氣水平能見度的測量方法，包括有以下裝置激光發(fā)射部分、光學(xué)接收部分和數(shù)據(jù)采集部分，激光發(fā)射部分包括激光器、準直器，光學(xué)接收部分主要包括CCD攝像機、濾光片，濾光片位于CCD攝像機的鏡頭前方，數(shù)據(jù)采集部分包括有計算機，CCD攝像機與計算機通訊連接；激光器發(fā)射激光水平射向大氣，激光路徑無遮擋物，CCD攝像機與激光器成微小角度，CCD攝像機將激光回波信號完全接收，通過計算機采集、處理激光回波圖像后得到大氣水平能見度。本發(fā)明白天和夜晚可連續(xù)運轉(zhuǎn)，探測快速，結(jié)構(gòu)簡潔、體積小、重量輕，便于攜帶和移動，應(yīng)用前景廣泛。
文檔編號G01N21/53GK102621102SQ20121009124
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月31日
發(fā)明者侯再紅, 劉小勤, 吳毅, 翁寧泉 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機械研究所