專利名稱：基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量的方法及測(cè)量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量的方法，本發(fā)明還同時(shí)涉及根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的大氣能見度測(cè)量儀。該測(cè)量儀主要用于機(jī)場(chǎng)、氣象、港灣的大氣監(jiān)測(cè)以及試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)、雷達(dá)、紅外、激光等設(shè)備的大氣能見度參數(shù)定標(biāo)。
背景技術(shù)：
氣象能見度(meteorological visibility)作為專業(yè)術(shù)語，世界氣象組織(WMO)是這樣定義的正常視力的人，在白天當(dāng)時(shí)的天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)出適當(dāng)大小黑色目標(biāo)物的最大距離；在夜間則是指假設(shè)亮度與白天相同的情況下能夠辨認(rèn)出目標(biāo)物的最大距離。可見，氣象能見度是表示大氣渾濁程度或透明度的一個(gè)量。這個(gè)量用距離來表示。因此，氣象能見度的簡單定義為用距離來表示的大氣的渾濁程度(或透明度)稱為能見度。
能見度的測(cè)量對(duì)于航空航海、陸上交通、氣象以及軍事應(yīng)用都有重大的意義，尤其在軍事領(lǐng)域，它是飛機(jī)和艦船安全航行、雷達(dá)、光電裝備定標(biāo)、軍事目標(biāo)打擊等軍事行動(dòng)的重要依據(jù)之一。
能見度測(cè)量儀器是基于上述理論研制出來的。盡管各類儀器的具體結(jié)構(gòu)、測(cè)量方法不同，但測(cè)量原理基本一致，即利用儀器測(cè)得大氣消光系數(shù)σ，然后通過Koschmieder定律或Allard定律來求得能見度值。從總體結(jié)構(gòu)來看，能見度測(cè)量儀器主要由4部分組成，即發(fā)射器、接收器、處理器和顯示器。常見的能見度測(cè)量儀器一般分為3種透射式、散射式和激光雷達(dá)式。
這些測(cè)量儀的接收端和發(fā)射端大都分布在兩側(cè)，需要合作目標(biāo)，具有體積大，成本高，測(cè)量范圍較小，安裝和攜帶不方便等諸多缺點(diǎn)，很難推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有背景技術(shù)的不足之處，而提供一種基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的大氣能見度測(cè)量儀。該儀器具有測(cè)量精度高、體積小、重量輕、應(yīng)用范圍廣、無需合作目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。
基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量的方法它包括如下步驟①按照中增益和高增益分別五次發(fā)射并接收激光后向散射信號(hào)，在每次接受的信號(hào)中采樣400點(diǎn)，②分別計(jì)算每次采樣各個(gè)斷層間的消光系數(shù)，在剔除斷層內(nèi)誤差較大點(diǎn)的前提下，計(jì)算斷層間的平均消光系數(shù)各五組；③按照數(shù)據(jù)融合的算法計(jì)算整體的相對(duì)消光系數(shù)；④通過相對(duì)消光系數(shù)的反演來推導(dǎo)大氣能見度。
具體公式如下設(shè)Ri、Ri+1是一次接收回波信號(hào)中任意一個(gè)斷層的相鄰采集點(diǎn)，則根據(jù)激光雷達(dá)方程可得P(Ri)=CEβ(Ri)Ri2·e-2∫0RiσdR----------(1)]]>P(Ri+1)=CEβ(R2)R22·e-2∫0Ri+1σdR------(2)]]>其中，
P(Ri)、P(Ri+1)——Ri、Ri+1點(diǎn)的激光回波信號(hào)；C——激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)；β——大氣后向散射系數(shù)；σi——兩點(diǎn)間的消光系數(shù)；E——激光系統(tǒng)常數(shù)，它由激光發(fā)射功率，激光脈沖寬度，望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積共同決定。
依照大氣各向吸收為零的假設(shè)，可以認(rèn)為β(Ri)＝β(Ri+1) (3)∫0RσdR=σ‾iR-------(4)]]>由(1)、(2)、(3)、(4)式可以推導(dǎo)出P(Ri)P(Ri+1)=(Ri+1Ri)2·e-2σ‾R------------(5)]]>最終可推得該兩點(diǎn)間的消光系數(shù)σi為σ‾i=-12(Ri-Ri+1)1nP(Ri)Ri2P(Ri+1)Ri+12-------(6)]]>在剔除各個(gè)誤差大于10％的數(shù)值后，設(shè)余下的可信計(jì)算點(diǎn)為N個(gè)，該次計(jì)算得出的相對(duì)消光系數(shù)σt，則有σ‾t=1NΣj=1Nσ‾j------(7)]]>通過計(jì)算將相應(yīng)的兩組測(cè)量數(shù)據(jù)分別記為σ11，σ12，…σ1m，(m＝5)和σ21，σ22，…，σ2n(n＝5)。公式見(8)、(9)、(10)、(11)σ‾(1)=1mΣp=1mσ‾1p---------(8)]]>
σ‾(2)=1nΣq=1nσ‾2q----------(9)]]>σ^(1)=1m-1Σp-1m(σ‾1p-σ‾(1))2--------(10)]]>σ^(2)=1n-1Σq=1n(σ‾2q-σ‾(2))2-------(11)]]>根據(jù)數(shù)據(jù)融合的算法得到整體消光系數(shù)σ+見公式(12)σ‾+=σ^(2)2σ^(1)2+σ^(2)2σ‾(1)+σ^(1)2σ^(1)2+σ^(2)2σ‾(2)-------(12)]]>其中σ+即為中、高增益參數(shù)估計(jì)數(shù)據(jù)融合的能見度值，代入σ(1)、 σ(2)和 的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出這10個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的能見度融合值。
最終，可以推得能見度Vm為Vm=3.912σ‾+(λ0.55)q---------(13)]]>其中，波長λ單位為微米。q值按(14)的計(jì)算方法取值 基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量儀，它包括依次連接的激光器4、倍頻器3、準(zhǔn)直鏡2、擴(kuò)束鏡1，用于接收由大氣的散射作用而產(chǎn)生的回波信號(hào)的接收鏡頭5，其特征在于接收鏡頭5依次連接濾光鏡組6、窄帶干涉濾光片7、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)8，小信號(hào)放大電路9的一端連接光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)8，另一端連接采樣保持電路10，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路13的一端與采樣保持電路10，另一端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11連接，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11與顯示器15、鍵盤14及采樣保持電路10連接，控制軟件12分別與激光器4、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)8及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11連接。
在上述技術(shù)方案中，所述控制軟件12的控制流程為開始01→初始化設(shè)置02→接收回波信號(hào)03→進(jìn)行數(shù)據(jù)處理04→對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)05，若無效返回03步→計(jì)算大氣消光系數(shù)06→計(jì)算大氣能見度07→結(jié)束08。
本發(fā)明基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量的方法解決了以下問題1)、由于在較小的分段中大氣可以看作是近似均勻的，因此解決以往兩點(diǎn)法計(jì)算時(shí)大氣不均勻性帶來的誤差；2)、減小了由于測(cè)量時(shí)局部大氣湍流、風(fēng)沙等偶然因素帶來的偶然誤差；3)、通過不同天氣現(xiàn)象下的能見度范圍的限制，可將能見度測(cè)量值的計(jì)算結(jié)果限定在一定范圍以內(nèi)，從而減少了由于激光發(fā)射的偶然不穩(wěn)定所造成的偶然性誤差。
基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量儀具有如下優(yōu)點(diǎn)1、全天候工作，可在白天、黑夜及各種惡劣條件下應(yīng)用；2、精度高，誤差滿足氣象部門要求的20％以內(nèi)，達(dá)到15％以內(nèi)；3、測(cè)量范圍大，可測(cè)范圍為50米至20000米；4、體積小，便于攜帶，其總重量僅2.8公斤；5、無需合作目標(biāo)，可在野外、海洋、山區(qū)等各種特殊環(huán)境下使用；6、串口輸出，可連接電腦，軟件界面美觀。


圖1雙端透射式能見度儀原理示意圖；圖2側(cè)向散射儀原理示意圖；圖3前向散射能見度儀原理示意圖；圖4后向散射能見度儀原理示意圖；
圖5激光雷達(dá)式能見度儀原理示意圖；圖6激光回波信號(hào)幅度P(R)隨距離R的變化關(guān)系；圖7激光大氣斷層測(cè)量算法示意圖；圖8系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖；圖9系統(tǒng)基本流程圖；圖10系統(tǒng)的操作界面；圖11 2006年6月11日在某地測(cè)量的能見度走勢(shì)圖；圖12中增益原始信號(hào)圖；圖13高增益原始圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施情況，但它們并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定，同時(shí)通過說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚和容易理解。
基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量的方法它包括如下步驟①按照中增益和高增益分別五次發(fā)射并接收激光后向散射信號(hào)，在每次接受的信號(hào)中采樣400點(diǎn)，②分別計(jì)算每次采樣各個(gè)斷層間的消光系數(shù)，在剔除斷層內(nèi)誤差較大點(diǎn)的前提下，計(jì)算斷層間的平均消光系數(shù)各五組；③按照數(shù)據(jù)融合的算法計(jì)算整體的相對(duì)消光系數(shù)；④通過相對(duì)消光系數(shù)的反演來推導(dǎo)大氣能見度。
基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量儀，它包括依次連接的激光器4、倍頻器3、準(zhǔn)直鏡2、擴(kuò)束鏡1，用于接收由大氣的散射作用而產(chǎn)生的回波信號(hào)的接收鏡頭5，其特征在于接收鏡頭5依次連接濾光鏡組6、窄帶干涉濾光片7、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)8，小信號(hào)放大電路9的一端連接光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)8，另一端連接采樣保持電路10，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路13的一端與采樣保持電路10，另一端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11連接，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11與顯示器15、鍵盤14及采樣保持電路10連接，控制軟件12分別與激光器4、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)8及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11連接。
在上述技術(shù)方案中，所述控制軟件12的控制流程為開始01→初始化設(shè)置02→接收回波信號(hào)03→進(jìn)行數(shù)據(jù)處理04→對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)05，若無效返回03步→計(jì)算大氣消光系數(shù)06→計(jì)算大氣能見度07→結(jié)束08。
參閱圖1可知透射式能見度儀也稱為透射表，透射表是出現(xiàn)最早的一種能見度測(cè)量儀。儀器通過測(cè)量光的透過率來求得大氣消光系數(shù)，從而確定能見度值。透射式測(cè)量能見度最大的缺陷就是需要基線B，這就使得儀器占地面積相對(duì)增大，對(duì)儀器的安裝、使用和應(yīng)用領(lǐng)域受到相應(yīng)地限制。
參閱圖2可知發(fā)射器中光源發(fā)出漫射光，漫射光照射到采樣體積上被散射；接收器在側(cè)向接收散射光強(qiáng)。由發(fā)射光強(qiáng)和散射光強(qiáng)可以得到總散射系數(shù)。側(cè)向散射儀測(cè)量散射光范圍大，理論上精度高，但實(shí)際使用精度很差，反應(yīng)不靈敏，目前已經(jīng)極少應(yīng)用。
參閱圖3可知前向散射儀的收發(fā)兩端距離一般為幾米到十幾米之間。因此前向散射儀的結(jié)構(gòu)較為緊湊，外界干擾的影響很小，安裝維護(hù)方便，適合于各種能見度測(cè)量，尤其適用于能見度低的情況下使用。然而該能見度測(cè)量儀發(fā)射端與接收端位于采樣空間的兩側(cè)，且需要角度調(diào)整，因此該設(shè)備就不具備便攜性，特別在船舶中由于無法固定發(fā)射、接收端而無法使用。
圖4為后向散射能見度儀原理示意圖。1958年Curuio和Knestrick研究了大氣消光系數(shù)和后向散射系數(shù)之間的關(guān)系，認(rèn)為后向散射系數(shù)可以用來確定能見度。該后向散射儀由于發(fā)射、接收位于同側(cè)因此測(cè)量不受平臺(tái)限制，易于實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。此外，測(cè)量時(shí)無需目標(biāo)物及精確對(duì)準(zhǔn)，采樣體積大，結(jié)構(gòu)簡單，測(cè)量效果較好。該測(cè)量儀器的主要缺點(diǎn)在于能見度計(jì)算是基于大氣均勻這一假設(shè)條件，因此在低能見度或惡劣天氣等大氣均勻性較差條件下誤差較大。
參閱圖5可以看出，激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)上與后向散射儀相似。激光雷達(dá)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是不僅能測(cè)量水平能見度，而且也能測(cè)量傾斜能見度和垂直能見度。然而該儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，成本高。因此多年來，許多國家都在嘗試將激光雷達(dá)式能見度儀改進(jìn)為實(shí)用型儀器，但目前為止，激光雷達(dá)還只應(yīng)用于科研和國防領(lǐng)域。
激光后向散射式能見度測(cè)量儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(如圖8所示)。它是由激光發(fā)射器件、激光接收器件、信號(hào)探測(cè)和數(shù)據(jù)采集器件以及計(jì)算機(jī)等部分組成。除計(jì)算機(jī)之外，其它部分全部組裝在一起，使得該能見度測(cè)量儀整體結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便。該設(shè)備還可配裝三角架，可以放在三角架上進(jìn)行水平方向的調(diào)節(jié)，使用方便。
在使用時(shí)，首先進(jìn)行各個(gè)設(shè)備的初始化，通過觸發(fā)激光器4發(fā)射激光，激光光束通過倍頻器3、準(zhǔn)直鏡2、擴(kuò)束鏡1向大氣中發(fā)射激光信號(hào)；接收鏡頭5接收由大氣的散射作用而產(chǎn)生的回波信號(hào)，散射信號(hào)依次進(jìn)入濾光鏡組6、窄帶干涉濾光片7，最后進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)8將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；電信號(hào)經(jīng)小信號(hào)放大電路9后在采樣保持電路10中進(jìn)行信號(hào)采樣，后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路13進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過計(jì)算我們得到的最終計(jì)算結(jié)果顯示在顯示設(shè)備15中。在整個(gè)大氣能見度測(cè)量過程中，激光器及光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)均由能見度控制軟件12進(jìn)行控制。
本發(fā)明基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量儀技術(shù)指標(biāo)如下系統(tǒng)整體誤差不大于±20％激光器發(fā)射能量不小于12毫焦波長1.06微米束散角3毫弧度測(cè)距頻率12次/分光學(xué)倍率7倍光學(xué)視場(chǎng)7度出瞳直徑≥6毫米出瞳距離≥21毫米電源直流12伏(±10％)數(shù)據(jù)接口RS232串口數(shù)據(jù)格式ASCII編碼研究表明，對(duì)某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收，光波幾乎無法通過。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)段，而將透過率較高的波段稱為“大氣窗口”。其中最常用的是2.22～2.4微米、4.1～4.4微米、8～13微米三個(gè)大氣窗口，在這些窗口之中，大氣分子呈現(xiàn)弱吸收。考慮到可靠性及經(jīng)濟(jì)性，本發(fā)明采用摻釹釔鋁石榴石激光器發(fā)射1.06微米的激光；對(duì)于測(cè)量儀的接收系統(tǒng)本發(fā)明采用硅雪崩光電探測(cè)器作為回波信號(hào)的接收器件，顯示系統(tǒng)本發(fā)明利用Visual C++6.0這一編程環(huán)境圖形化顯示接收到回波信號(hào)的數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案激光后向散射式能見度測(cè)量儀的軟件設(shè)計(jì)部分主要對(duì)樣機(jī)接收的回波信號(hào)進(jìn)行處理，涉及到能見度算法及軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的基本流程圖見附圖9，系統(tǒng)界面圖見附10、11，接收的中、高增益信號(hào)圖見附圖12、13。
激光后向散射式能見度測(cè)量儀軟件要實(shí)現(xiàn)的功能和目標(biāo)如下·測(cè)量能見度數(shù)據(jù)上報(bào)；·一天能見度走勢(shì)圖形化查詢；·可以圖形化顯示接收到回波信號(hào)的數(shù)據(jù)；·根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)直接計(jì)算出大氣能見度值；·具有良好的人機(jī)界面，操作簡單、方便。
本發(fā)明“基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量儀”通過在武漢氣象臺(tái)東西湖區(qū)觀測(cè)站與空軍某軍氣象臺(tái)兩個(gè)階段的大量外場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明該設(shè)備達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
表1數(shù)據(jù)融合算法和算術(shù)平均算法數(shù)據(jù)對(duì)比

從表可知本發(fā)明測(cè)量方法測(cè)量誤差均較小。
表2天氣現(xiàn)象與能見度范圍

使用本發(fā)明基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量儀的步驟為1、在運(yùn)行能見度測(cè)量系統(tǒng)前請(qǐng)先檢查發(fā)射系統(tǒng)是否安裝正確，包括線路是否正確連接，測(cè)量儀是否平穩(wěn)。將激光器鏡頭置水平狀態(tài)或成仰角5度左右，并確保前方2000米內(nèi)無障礙物(特別注意不要近距離將激光器鏡頭對(duì)著人或者玻璃窗)。
2、打開電腦登陸“大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)”。
3、單擊“開始接收”按鈕，使該按鈕顯示為“停止接收”。
4、將發(fā)射裝置的開關(guān)指向“1”，進(jìn)入激光發(fā)射狀態(tài)。
5、依次按發(fā)射裝置上的發(fā)射按鈕，當(dāng)計(jì)算按鈕顯示“計(jì)算能見度”時(shí)單擊該按鈕，計(jì)算完畢后會(huì)有圖形顯示所接收的信號(hào)波形。
6、重復(fù)步步驟五，直到提示計(jì)算完成為止(共15次)，記錄最后得出的能見度值。
需要說明的是對(duì)于本專業(yè)普通的技術(shù)人員來說，在不改變本發(fā)明原理的情況下，還可以對(duì)本發(fā)明做出適當(dāng)?shù)母淖兒妥冃?，這同樣屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量的方法，其特征在于它包括如下步驟①、按照中增益和高增益分別五次發(fā)射并接收激光后向散射信號(hào)，在每次接受的信號(hào)中采樣400點(diǎn)；②、分別計(jì)算每次采樣各個(gè)斷層間的消光系數(shù)，在剔除斷層內(nèi)誤差較大點(diǎn)的前提下，計(jì)算斷層間的平均消光系數(shù)各五組；③、按照數(shù)據(jù)融合的算法計(jì)算整體的相對(duì)消光系數(shù)；④、通過相對(duì)消光系數(shù)的反演來推導(dǎo)大氣能見度。
2.基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量儀，它包括依次連接的激光器(4)、倍頻器(3)、準(zhǔn)直鏡(2)、擴(kuò)束鏡(1)，用于接收由大氣的散射作用而產(chǎn)生的回波信號(hào)的接收鏡頭(5)，其特征在于接收鏡頭(5)依次連接濾光鏡組(6)、窄帶干涉濾光片(7)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(8)，小信號(hào)放大電路(9)的一端連接光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(8)，另一端連接采樣保持電路(10)，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(13)的一端與采樣保持電路(10)，另一端與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(11)連接，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(11)與顯示器(15)、鍵盤(14)及采樣保持電路(10)連接，控制軟件(12)分別與激光器(4)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(8)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(11)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量儀，其特征在于所述控制軟件(12)的控制流程為開始(01)→初始化設(shè)置(02)→接收回波信號(hào)(03)→進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(04)→對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)(05)，若無效返回(03)步→計(jì)算大氣消光系數(shù)(06)→計(jì)算大氣能見度(07)→結(jié)束(08)。
全文摘要
基于激光后向散射式大氣能見度測(cè)量的方法及測(cè)量儀，它包括如下步驟①按照中增益和高增益分別五次發(fā)射并接收激光后向散射信號(hào)，在每次接受的信號(hào)中采樣400點(diǎn)；②分別計(jì)算每次采樣各個(gè)斷層間的消光系數(shù)，在剔除斷層內(nèi)誤差較大點(diǎn)的前提下，計(jì)算斷層間的平均消光系數(shù)各五組；③按照數(shù)據(jù)融合的算法計(jì)算整體的相對(duì)消光系數(shù)；④通過相對(duì)消光系數(shù)的反演來推導(dǎo)大氣能見度。本發(fā)明克服了現(xiàn)有測(cè)量儀的接收端和發(fā)射端大都分布在兩側(cè)，需要合作目標(biāo)，安裝和攜帶不方便等諸多缺點(diǎn)。具有測(cè)量精度高、體積小、重量輕、應(yīng)用范圍廣、無需合作目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/27GK1948953SQ20061012481
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日
發(fā)明者康圣, 王江安, 宗思光, 蔣冰莉 申請(qǐng)人:中國人民解放軍海軍工程大學(xué)