基于CCD激光雷达的水平能见度的测量方法

摘要

本发明公开了一种基于CCD激光雷达的大气水平能见度的测量方法，包括有以下装置：激光发射部分、光学接收部分和数据采集部分，激光发射部分包括激光器、准直器，光学接收部分主要包括CCD摄像机、滤光片，滤光片位于CCD摄像机的镜头前方，数据采集部分包括有计算机，CCD摄像机与计算机通讯连接；激光器发射激光水平射向大气，激光路径无遮挡物，CCD摄像机与激光器成微小角度，CCD摄像机将激光回波信号完全接收，通过计算机采集、处理激光回波图像后得到大气水平能见度。本发明白天和夜晚可连续运转，探测快速，结构简洁、体积小、重量轻，便于携带和移动，应用前景广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及激光探测领域，具体是利用CCD激光雷达探测大气水平能见度的 方法。

背景技术

大气能见度是描述大气混浊的参数。美国气象学会定义为，观测人员在正常 视力情况下，在白天，以雾或天空作背景能看到和辨认出在地面附近一个大小适 度的黑色目标物的最大距离；在夜间，则为能看到和识别中等强度的灯光的最大 距离。

对于能见度的测量可分为目测和器测两大类。目测主要是由经过训练的有经 验的观测人员对不同距离上固定目标进行识别，这与观测者以及观测者当时的身 体状况、目标物的距离分辨率上都有关系，因此观测的能见度值受人的主观性影 响很大。而器测能见度就相对来说更为客观些。在仪器测量中根据测量的方式和 基于的原理不同可分为：透射型能见度仪、散射式能见度仪。在散射式能见度仪 中根据信号散射的方式不同分为总散射仪、后向散射仪和前向散射仪三种。总体 来说透射型和散射型代表了能见度仪的两种发展趋势。

激光雷达直接利用后向散射来探测能见度。早期由于激光雷达的成本高，同 时能见度测量仅仅是激光雷达的应用之一，所以利用激光雷达测量能见度的推广 应用受到极大的限制，随着激光技术和探测技术的发展，利用后向散射式原理测 量能见度的技术也逐渐成熟，其制造成本也随之下降，研制后向散射式激光雷达 探测能见度开始发展。

目前，用于探测水平能见度的激光雷达系统一般采用脉冲式激光器、接收 部分使用望远镜和光电探测器如雪崩管光电二极管、光电倍增管等组成的系统。 存在以下三个方面的不足：首先是系统比较复杂、体积较大、重量较重、不易 移动和运输，限制了它的应用范围；其次价格贵；第三光电探测器如雪崩管光电 二极管、光电倍增管量子效率低导致单次测量时间长(一般大于3分钟)。

发明内容

本发明提供一种基于CCD的激光雷达的大气水平能见度测量方法，以连续激 光为发射光源，利用CCD摄像机接收来自几公里内的激光回波信号，通过计算机 对激光回波图像进行分析处理，得到大气消光系数，从而求出大气水平能见度的 大小。

本发明采用的技术方案是：

基于CCD激光雷达的大气水平能见度的测量方法，其特征在于，包括有CCD 激光雷达系统，CCD激光雷达系统包括有以下装置：激光发射部分、光学接收部 分和数据采集部分，激光发射部分包括激光器、准直器，光学接收部分主要包括 CCD摄像机、滤光片，滤光片位于CCD摄像机的镜头前方，数据采集部分包括有 计算机，CCD摄像机与计算机通讯连接；

测量过程如下：激光器发射激光水平射向大气，激光路径无遮挡物，CCD 摄像机与激光器成微小角度，CCD摄像机将激光回波信号完全接收，通过计算机 采集、处理激光回波图像；

激光回波图像主要由几列光点和背景组成，几列长条光点为大气后项散射回 波信号，由密到疏对应距离分布，像素距离分辨不是相等的，近处距离分辨高， 远处距离分辨低；

大气水平能见度的计算步骤为：

1)对采集得到的激光回波图像进行平场，再对图像进行裁减保留包含激光回 波和部分背景图像(平场方法为使用所述的CCD激光雷达系统对准光线分布均匀 背景进行图像采集，对图像进行归一化，保存此背景图像到的数据用于对系统采 集得到的激光回波图像进行平场)；

2)从激光回波图像中逐行提取背景，将每行各列减去背景图像值，对每行 各列值进行合并，获得一维激光回波信号；

3)进行距离几何校正，获得激光回波信号随不同距离的分布；

4)最后，根据以下原理和公式计算反演得到大气水平能见度数值：

激光光束通过大气时，大气会对激光光束产生散射作用，其吸收作用在这 532nm波长中可以忽略；设大气水平均匀，CCD摄像机接收到的距离R处的大气 后向散射回波功率P(R)由下面的方程决定：

P(R)＝P₀CR^-2βexp(-2α_HR)    (1)

式中，P₀为激光发射功率(W)；C是CCD激光雷达的系统常数(Wkm³Sr¹)；β是 大气水平后向散射系数(km^-1Sr^-1)；α_H是大气水平消光系数(km^-1)；

对(1)式取对数并对距离R求导得：

$\frac{d\left(\ln \left(P\left(R\right)R^2\right)\right)}{\mathrm{dR}}=\frac{1}{\beta }\frac{\mathrm{d\beta }}{\mathrm{dR}}-2{\alpha }_H---\left(2\right)$

由于已假定大气水平均匀，故因此，对ln(P(R)R²)和R进行最小二 乘法线性拟合，拟合直线的斜率的一半则为532nm波长的大气水平消光系数α_H， 此即所谓的斜率法；由于532nm与550nm两个波长相靠很近，故可以用532nm 波长的大气水平消光系数α_H作为550nm波长的大气水平消光系数；

大气水平能见度V与550nm波长的大气水平消光系数α_H之间的关系如下：

$V=-\frac{\ln ϵ}{{\alpha }_H}=-\frac{3.912}{{\alpha }_H}---\left(3\right)$

由(3)式得到大气水平能见度V。

所述的激光器为连续型激光器，波长为532nm，激光能量为1W。

本发明的主要优点是：

1)光学接收部分使用CCD摄像机获取激光回波信号，CCD摄像机的光电转 换效率高；

2)使用连续型激光器，提高时间分辨率；

3)水平能见度的探测误差小于10％；

4)白天和夜晚可连续运转；

5)探测快速，一般天气条件下，大气水平能见度的探测周期为30秒；

6)结构简洁、体积小、重量轻，便于携带和移动，适用于外场使用；

7)应用前景广泛，可用于海港、公路交通和大多数军用、民用机场、环境 监测及气象部门等。

附图说明

图1为本发明的CCD激光雷达系统的总体光电结构示意图。

图2为利用本发明探测的探测结果示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于CCD激光雷达的大气水平能见度的测量方法，包括有CCD 激光雷达系统，CCD激光雷达系统包括有以下装置：激光发射部分、光学接收部 分和数据采集部分，激光发射部分包括激光器1、准直器2，光学接收部分主要 包括CCD摄像机3、滤光片4，滤光片4位于CCD摄像机3的镜头前方，数据采 集部分包括有计算机5，CCD摄像机3与计算机5通讯连接；

测量过程如下：激光器1发射激光水平射向大气，激光路径无遮挡物，CCD 摄像机3与激光器1成微小角度，CCD摄像机3将激光回波信号完全接收，通过 计算机5采集、处理激光回波图像；

激光回波图像主要由几列光点和背景组成，几列长条光点为大气后项散射回 波信号，由密到疏对应距离分布，像素距离分辨不是相等的，近处距离分辨高， 远处距离分辨低；

大气水平能见度的计算步骤为：

1)对采集得到的激光回波图像进行平场，再对图像进行裁减保留包含激光回 波和部分背景图像(平场方法为使用所述的CCD激光雷达系统对准光线分布均匀 背景进行图像采集，对图像进行归一化，保存此背景图像到的数据用于对系统采 集得到的激光回波图像进行平场)；

2)从激光回波图像中逐行提取背景，将每行各列减去背景图像值，对每行 各列值进行合并，获得一维激光回波信号；

3)进行距离几何校正，获得激光回波信号随不同距离的分布；

4)最后，根据以下原理和公式计算反演得到大气水平能见度数值：

激光光束通过大气时，大气会对激光光束产生散射作用，其吸收作用在这 532nm波长中可以忽略；设大气水平均匀，CCD摄像机接收到的距离R处的大气 后向散射回波功率P(R)由下面的方程决定：

P(R)＝P₀CR^-2βexp(-2α_HR)    (1)

式中，P₀为激光发射功率(W)；C是CCD激光雷达的系统常数(Wkm³Sr¹)；β是 大气水平后向散射系数(km^-1Sr^-1)；α_H是大气水平消光系数(km^-1)；

对(1)式取对数并对距离R求导得：

$\frac{d\left(\ln \left(P\left(R\right)R^2\right)\right)}{\mathrm{dR}}=\frac{1}{\beta }\frac{\mathrm{d\beta }}{\mathrm{dR}}-2{\alpha }_H---\left(2\right)$

由于已假定大气水平均匀，故因此，对ln(P(R)R²)和R进行最小二 乘法线性拟合，拟合直线的斜率的一半则为532nm波长的大气水平消光系数α_H， 此即所谓的斜率法；由于532nm与550nm两个波长相靠很近，故可以用532nm 波长的大气水平消光系数α_H作为550nm波长的大气水平消光系数；

大气水平能见度V与550nm波长的大气水平消光系数α_H之间的关系如下：

$V=-\frac{\ln ϵ}{{\alpha }_H}=-\frac{3.912}{{\alpha }_H}---\left(3\right)$

由(3)式得到大气水平能见度V。

激光器为连续型激光器，波长为532nm，激光能量为1W。