后向散射式小型激光雷達(dá)能見度儀探測研究

莊子波，黃 煒，符 超，蔣立輝

(1.中國民航大學(xué)民航氣象研究所，天津300300;2.中國民航大學(xué)飛行技術(shù)學(xué)院，天津300300;3.中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津300300)

引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，各地機(jī)場建設(shè)如雨后春筍般迅猛發(fā)展，在航空領(lǐng)域，能見度對于空中交通安全有著重大的影響，越發(fā)受到人們的重視。2010-08-24，一架客機(jī)在黑龍江伊春機(jī)場降落時失事，客機(jī)上96人中42人遇難、54人受傷，事后調(diào)查原因系能見度太低，飛行員無反應(yīng)時間導(dǎo)致慘劇的發(fā)生。在不良能見度天氣條件下，采取相應(yīng)的管制措施能夠有效地減少惡性事故的發(fā)生，保證空中交通的安全。

能見度設(shè)備方面，美國、德國和芬蘭在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，國內(nèi)僅有少數(shù)科研機(jī)構(gòu)完成了樣機(jī)的研制，且目前的能見度儀多采用透射式和前向散射式，其體積較大、安裝過程復(fù)雜，只能獲取水平方向能見度。在出現(xiàn)不均勻的霧、局部的雨或雪暴的情況下，儀器的讀數(shù)極易出現(xiàn)誤差。同時由于其測量采樣空間小，測量結(jié)果只能反映小區(qū)域能見度信息，對霧團(tuán)等嚴(yán)重影響交通安全的天氣現(xiàn)象無法做出準(zhǔn)確、及時的反映。可以看出，進(jìn)行能見度測量設(shè)備的研制具有重大的現(xiàn)實意義，且能夠大力推進(jìn)民航設(shè)備的國產(chǎn)化進(jìn)程，實現(xiàn)我國從民航大國到民航強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。

本文中基于嵌入式計算機(jī)設(shè)計了一臺激光雷達(dá)能見度儀探測大氣，首先選用PCM-3370E作為系統(tǒng)集成解決方案，實現(xiàn)了系統(tǒng)輕小化設(shè)計和數(shù)據(jù)處理。其次利用激光探測的優(yōu)點，可有效獲得整個探測路徑的能見度信息，填補(bǔ)了傳統(tǒng)能見度儀點監(jiān)視的盲區(qū)。本系統(tǒng)不僅能測量水平能見度，還能測量斜程能見度，同時通過后期改變探測方向和算法，還可獲得云層高度信息。且激光雷達(dá)具有高時空分辨率和大測量范圍等特點，能夠準(zhǔn)確預(yù)報霧團(tuán)等嚴(yán)重威脅交通安全的環(huán)境特征，可廣泛應(yīng)用于機(jī)場氣象監(jiān)測、空中交通安全預(yù)警及大氣科學(xué)研究領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)測量原理

激光雷達(dá)探測的基本原理為:首先探測激光由激光器發(fā)出，在探測路徑上與大氣分子和氣溶膠粒子等介質(zhì)相互作用，被大氣中的粒子散射，后向散射的激光在返回的路程中再次被大氣消光衰減，然后回波信號由接收機(jī)接收，最后通過數(shù)據(jù)處理計算相應(yīng)的消光系數(shù)并得到此時的能見度。根據(jù)Koschmieder定律，能見度方程為:

式中，V為能見度，σ為白光大氣消光系數(shù)，ε為視覺感應(yīng)閾值，即人眼能夠?qū)⒛繕?biāo)從背景中分辨出來的最小亮度對比，航空領(lǐng)域國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)推薦取 ε=0.05。

由于本設(shè)備采用532nm波長探測激光，考慮到白光與探測激光傳輸上的差別，對(1)式進(jìn)行修正，得到小于6km能見度時的能見度方程［1］為:

式中，σλ為使用532nm激光探測大氣時的消光系數(shù)。

2 系統(tǒng)概述及控制實現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用收發(fā)分置離軸結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由三部分組成:激光發(fā)射單元、接收光學(xué)單元、信號采集和控制單元。系統(tǒng)采用模塊化和輕小全固化結(jié)構(gòu)，體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、輕便穩(wěn)定，系統(tǒng)整體封裝于210mm×170mm×140mm的鋁結(jié)構(gòu)框架中。

Fig.1 Structure of the system

Fig.2 Circuit of the system

系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，在光學(xué)設(shè)計方面，激光器采用二極管抽運固體激光器(diode pumped solid-state laser，DPSSL)，該激光器具有低脈沖能量和高脈沖重復(fù)頻率的特點，既滿足了人眼安全的標(biāo)準(zhǔn)，又能保證單位時間脈沖積累的數(shù)目，提供了足夠的平均發(fā)射功率［2］。光束耦合器將激光器發(fā)射的激光束轉(zhuǎn)換為光纖中的光波，用來聚焦和準(zhǔn)直激光的發(fā)射光束，降低激光發(fā)射過程中的能量損耗。本設(shè)計中采用了一對口徑均為50mm的發(fā)射/接收望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡由錐形鏡筒及后續(xù)的平面鏡、組合透鏡組成，最后通過光纖和光束耦合器與雪崩光電二極管(avalanche photo diode，APD)探測器相連，用于發(fā)射和接收激光信號。同時，通過約束發(fā)射/接收視場角，以提高探測激光的能量利用率，并且保證發(fā)射視場角略小于接收視場角。系統(tǒng)工作狀態(tài)下發(fā)射望遠(yuǎn)鏡將激光匯聚成平行光束，發(fā)射至探測空間。接收望遠(yuǎn)鏡由一組組合透鏡構(gòu)成，接收與大氣相互作用后散射回的激光雷達(dá)回波信號。窄帶濾光片位于透鏡組的最前端，以濾除工作波長帶外的背景光和雜散光。回波信號最終被匯聚到接收光纖，輸送到光電探測器。

在電學(xué)設(shè)計方面，采用了模塊化的設(shè)計思想。針對激光雷達(dá)回波信號相對微弱［3］的特點，此處選用低噪聲、高量子效率，可實現(xiàn)單光子探測的雪崩光電二極管探測器SPCM-AQRH-10實現(xiàn)光信號至電信號的轉(zhuǎn)換，然后由同軸電纜接口(bayonet nut connector，BNC)將電信號發(fā)送至光子計數(shù)卡。光子計數(shù)卡完成數(shù)據(jù)的采集，此處選用具有多通道和高采集速率的MCS-pci，保證了對光電探測器輸出的有效采集［4］。系統(tǒng)主要技術(shù)參量如表1所示。

經(jīng)過隨訪以及引產(chǎn)結(jié)果，證實了90名孕婦中，存在34例出現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)畸形胎兒，其中有4例無腦兒，5例腦膨出，2例露腦畸形，4例全前腦，1例頸部水囊瘤，10例腦積水，8例腦室擴(kuò)張；對照組孕婦中，其中有27例檢查結(jié)果一致，檢查的確診率為79.41%；觀察組孕婦中，其中有33例檢查結(jié)果一致，檢查確診率為97.06%；對比兩組孕婦的確診率，觀察組孕婦的檢查正確率高于對照組孕婦，數(shù)據(jù)差異具有可比性（P＜0.05）。

Table 1 Parameters of the lidar visibility system

值得一提的是，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、處理和控制由嵌入式計算機(jī)完成［5-6］。考慮到整個激光雷達(dá)能見度測量系統(tǒng)的便攜性和數(shù)據(jù)處理性能要求，選用基于PC/104總線的研華PCM-3370E作為系統(tǒng)集成解決方案。在尺寸上，該板卡規(guī)格為96mm×115mm，滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕小化要求。在性能上，該嵌入式計算機(jī)采用Intel Celeron 400MHz處理器，512M內(nèi)存，板卡支持RS-232和RS-485接口、通用串行總線(universal serial bus，USB)控制芯片及接口和10M/100M以太網(wǎng)接口，配有4G的小型快閃(compact flash，CF)卡，數(shù)據(jù)處理能力完全滿足系統(tǒng)的實際應(yīng)用要求。光子計數(shù)卡可以通過轉(zhuǎn)接模塊與該板卡的120針基于外設(shè)互聯(lián)設(shè)備(peripheral computer interconnect，PCI)總線的堆棧式插座相連接。除此之外，該板卡集成的有線網(wǎng)口還可以實現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)多種測量設(shè)備的組網(wǎng)和統(tǒng)一控制。圖3為PCM-3370E的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

Fig.3 Internal structure of PCM-3370E

在數(shù)據(jù)處理方面，本系統(tǒng)采用了一種基于Fernald后向積分法的大氣消光系數(shù)迭代算法來測量斜程及水平方向的大氣平均能見度值［7］。該算法克服了以往算法中由于消光系數(shù)初值的不確定，從而導(dǎo)致結(jié)果不穩(wěn)定的現(xiàn)象，通過控制迭代精度，經(jīng)過有限次迭代可以得到穩(wěn)定的輸出結(jié)果，為激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)測量結(jié)果的可靠性提供了算法的保障。

2．2 系統(tǒng)控制實現(xiàn)

整個激光雷達(dá)能見度測量系統(tǒng)的工作時序由嵌入式計算機(jī)控制，控制對象包括激光器、光子計數(shù)卡、光電探測器和門控電路。其中激光器通過激光器電源間接控制，光子計數(shù)卡和光電探測器通過門控電路進(jìn)行直接控制。

Fig.4 Working sequence of the system

如圖4所示，系統(tǒng)開始工作時，PCM-3370E從串行通信接口(RS232)發(fā)送觸發(fā)信號至激光器電源，激光器開始工作。同時激光器電源觸發(fā)門控電路發(fā)送延時觸發(fā)信號至MCS-pci和SPCM-AQRH-10。此處MCS-pci設(shè)置的單通道采集時間為100ns，由于激光器的啟動存在響應(yīng)時間，激光束的發(fā)射大約滯后觸發(fā)信號100ns，而MCS-pci和SPCM-AQRH-10的響應(yīng)時間很短，可以認(rèn)為接收到觸發(fā)信號后立即工作，為實現(xiàn)系統(tǒng)的收發(fā)同步，故去掉接收到的第1個采樣值，從第2個采樣值開始數(shù)據(jù)的采集。

系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，首先由SPCM-AQRH-10完成信號的探測，將窄帶濾光片濾光處理后的激光雷達(dá)回波信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后由MCS-pci完成信號的采集，并將采集的結(jié)果傳至嵌入式計算機(jī)，最后由PCM-3370E完成數(shù)據(jù)的處理。

3 外場測試結(jié)果及分析

為了測試系統(tǒng)的性能，首先系統(tǒng)進(jìn)行了特征天氣的水平能見度測量實驗［8］，然后與美國Belford前向散射式能見度儀進(jìn)行了水平能見度的對比實驗，最后采用飛機(jī)實測法進(jìn)行了斜程能見度的對比實驗。

圖6所示為激光雷達(dá)能見度儀在2013-08-13連續(xù)24h的水平能見度測量結(jié)果［9］，并將測試結(jié)果與美國Belford前向散射式能見度儀進(jìn)行對比實驗。圖中曲線design表示激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)的測量結(jié)果，橫坐標(biāo)表示探測的具體時刻，縱坐標(biāo)表示該時刻的能見度。

Fig.5 Horizontal return signals under different weather conditions

Fig.6 Daylong visibility measurement of the system

從圖6中可以看出，當(dāng)日上午10點左右能見度為1.7km，能見度情況不佳，有輕霧;10點之后霧氣消散，能見度情況略微好轉(zhuǎn)，能見度在2.2km左右波動。將本次外場測量結(jié)果與美國Belford前向散射式能見度儀進(jìn)行對比實驗，得到兩者測量誤差在10%以內(nèi)。經(jīng)過后續(xù)大量的對比實驗，如表2所示，統(tǒng)計得到本系統(tǒng)測量總體誤差在15%以內(nèi)，完全符合ICAO對于機(jī)場氣象測量設(shè)備的要求［10］。

Table 2 Horizontal visibility measurement of comparative field tests

雖然兩種測量儀器的測量原理不同，但是在測量結(jié)果上保持了較高的一致性，這表明本激光雷達(dá)能見度儀具有較高的準(zhǔn)確性，并且具有良好的全天候工作能力。

另外經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)在低能見度條件下測量結(jié)果要優(yōu)于高能見度情況，這是因為陰天、雨霧等低能見度天氣，大氣氣溶膠密度較大，使得激光后向散射能量明顯增強(qiáng)，信噪比明顯提高。由于本系統(tǒng)特別是針對低能見度情況設(shè)計的，低能見度天氣條件下的測量結(jié)果更具有實際意義，適用于機(jī)場跑道能見度測量的實際情況。

表3中給出了系統(tǒng)與飛機(jī)實測斜程能見度的對比實驗結(jié)果。對比實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)在進(jìn)行斜程能見度測量時具有較高的探測精度，尤其在能見度小于1000m時，測量誤差在10%以內(nèi)，也滿足了ICAO對于機(jī)場氣象測量設(shè)備的要求。

Table 3 Slant visibility measurement of comparative field tests

4 結(jié)束語

基于后向散射原理，以嵌入式計算機(jī)為系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理核心，設(shè)計了一臺小型激光雷達(dá)能見度儀，該系統(tǒng)采用模塊化和輕小全固化結(jié)構(gòu)，具有緊湊小巧、穩(wěn)定輕便等優(yōu)點。該系統(tǒng)不僅能夠測量水平能見度，還可測量斜程能見度，充分滿足了機(jī)場的應(yīng)用需求。經(jīng)過外場測量實驗和對比實驗，該系統(tǒng)擁有良好的全天候工作能力，且測量誤差小于15%，具有較高的測量精度，滿足ICAO對于機(jī)場氣象設(shè)備的要求，對于推動國內(nèi)機(jī)場氣象設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程有舉足輕重的意義，具有很高的應(yīng)用前景。

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