雷射雷達式能見度儀

雷射雷達能見度儀是指利用雷射雷達技術來測量空氣能見度的一種儀器，具有體積小、精度高、結構緊湊、使用方便，性價比高的特點。

基本介紹

• 中文名：雷射雷達能見度儀
• 外文名：visibility lidar
• 目的：能見度計算
• 特點：體積小、精度高、結構緊湊
• 監控範圍：50米到5000米
• 學科：大氣科學

工作原理

雷射雷達能見度儀發射一定波長的雷射束，通過單光子探測器將回波轉換為電信號進行數據採集，從而得到回波功率隨距離變化的曲線，進而進行大氣消光係數的反演以及能見度計算。

主要特徵

國內開發成功的首台雷射雷達能見度儀，是為交通行業安全生產和人民民眾的安全出行，提供了有效技術支撐的重大突破。該儀器的能見度監控範圍可達50米到5000米，可實現每1～10分鐘輸出一組能見度值；可與高速公路現有的通訊系統實現無線和有線方式互聯互通，達到全天候實時監測、預警。具有體積小、精度高、結構緊湊、使用方便，性價比高的特點。

構造及參數

系統由3 部分組成：雷射發射系統、接收光學系統、信號採集和控制系統。系統採用輕小型全固化結構和模組化結構，結構緊湊，輕便穩定。雷射雷達能見度儀的設計探測能見度範圍為50～2 000 m，每30 s 輸出一組能見度值。

雷射器採用脈衝半導體雷射器，發射波長為905 nm，脈衝能量為1.2～22 μJ，脈衝重複頻率為5 000 Hz。低脈衝能量，高重複頻率的雷射器可以滿足人眼安全考慮。半導體雷射器體積僅有火柴盒大小，輕小方便。發射望遠鏡與接收望遠鏡口徑僅有50mm，接收視場角大於發射發散角，可以更好地接收雷射後向散射信號。接收望遠鏡後有窄帶濾光片和視窗玻璃，起保護作用。由於發射系統與接收系統不共軸，導致一部分光無法進入接收望遠鏡。

光電探測器為光電倍增管PMT，採用模擬探測模式。接收信號由光纖從光學天線的焦點處傳至光電探測器的光敏面，傳給AD 數據採集卡。控制系統主要由嵌入式工業計算機組成，計算機與AD 數據採集卡採用堆疊式連線。雷射雷達的全部系統組件集成封裝在方盒中，方盒尺寸為207 mm×167 mm×140 mm，封裝好的雷射雷達系統會固定在支架上，可進行探測角度的調節，實現多仰角測量。

雷射雷達數據採集系統

雷射雷達數據採集系統，大多採用通用數據採集卡來實現，功能繁冗，使用多有不便，且無法進行軟硬體的修改和升級以適應採集需求的變化。數據採集卡一般為PCI 接口， 須在工控計算機上使用，系統複雜、龐大，且功耗較高，無法在功耗要求嚴格的場合使用。為了克服上述問題， 研製了一套基於FPGA 的雷射雷達專用數據採集系統， 主要特點有：系統功能完全按照雷射雷達能見度儀的需求進行設計；軟硬體可按照採集需求進行升級；採用USB2.0 接口，傳輸速率快；整機功耗僅0.56W，適合有低功耗要求的場合。

數據採集系統的輸入包括雷射雷達所接收到的大氣後向散射回波信號和門控觸發信號，其中回波信號是TTL 電平脈衝輸入，脈衝寬度為20 ns，死時間為50 ns，每個脈衝代表一個光子。門控信號是一個周期為200μm， 占空比為80%的方波，低電平表示雷達正在工作，下降沿作為採集系統工作的起始點。由於門控觸發信號並非標準的TTL 電平，上升沿晃動較大，會導致採集的初始點產生晃動，而且信號的振鈴容易產生誤觸發，因此，需設定閾值對門控觸發信號進行甄別。

系統工作流程如下：系統由門控觸發後，對信號脈衝進行計數，每隔一定時間寬度(簡稱“BIN 寬度”），將計數保存，並將計數器清零重新計數，從而得到脈衝計數隨時間的變化曲線。脈衝計數可折算為回波強度，時間可折算為傳輸距離， 最終得到回波強度隨傳輸距離的變化曲線。

由於回波信號較弱，單獨一次計數結果無法進行計算，需要將多次計數結果進行疊加，分析其統計規律。系統運行所需參數，如門控閾值、BIN 寬度、存儲深度、累加次數等，可以從上位機設定，因此，需要接收和保存上位機傳遞過來的參數。