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斜程能见度探测的米-拉曼散射扫描型激光雷达研制.docx
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斜程能见度探测的米-拉曼散射扫描型激光雷达研制.docx
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摘要
针对飞机起降安全的斜程能见度探测问题,研制了一台 4 通道的米-拉曼散射扫描型激光雷
达,可实现双波长无假定的大气消光系数廓线反演,进而可精细探测大气斜程能见度。基于
大气能见度理论,假设观测路径附近无光源且忽略气溶胶粒子谱分布影响,分析了采用大气
平均消光系数反演斜程能见度的有效性。该激光雷达采用 Nd∶YAG 激光器的基频(1064
nm)和三倍频(355 nm)激光脉冲作为光源,采用以二向色镜和窄带干涉滤光片为核心的拉曼
光谱分光系统,利用有限状态机理论和多线程并发技术实现多模块协同控制软件。结合侧向
散射型能见度仪,开展初步观测实验与分析。结果表明,当天气为多云转阴,地面水平能见度
为 9 km,俯仰角为 26°时,所研制系统累积观测 4 min 的有效探测距离优于 11 km,近地面分
析结果取得了很好的一致性。
Abstract
ing at the problem of slant visibility detection for safe take-off and landing of aircraft, a 4-
channel Mie-Raman scattering scanning lidar is developed to achieve the dual-
wavelength assumption-free retrieval of the atmospheric extinction coefficient profile, and
then to finely obtain atmospheric slant visibility. Based on the atmospheric visibility
theory, assuming that there is no light source near the observation path and ignoring the
influence of aerosol particle spectrum distribution, the effectiveness of using atmospheric
mean extinction coefficient to retrieve slant visibility is analyzed. This lidar utilizes the
fundamental frequency (1064 nm) and triple frequency (355 nm) laser pulses of the Nd∶
YAG laser as the light source, adopts the Raman polychromator with dichroic mirrors and
narrow-band interference filters, and uses the finite state machine theory and multi-
thread concurrency technique to realize the multi-module collaborative control software.
Combined with the side-scattering visibility meter, the preliminary observation
experiments and comparative analysis are carried out. The results show that when the
weather is cloudy to overcast, the ground horizontal visibility is 9 km and the pitch angle
is 26°, the effective detection distance of this system within 4 min cumulative time is
better than 11 km, and the near-ground analysis results are in good agreement.
1 引言
大气能见度是表征大气对视觉影响的物理量,若忽略人眼生理视觉特征的影响,则基于亮度
对比的大气能见度就成为大气透明程度和光学状态的重要指标
[1]
。依据观测路径大气状态
的均匀性,大气能见度可分为水平能见度(通常假设大气水平分布均匀)和斜程能见度。水平
能见度已成为气象领域中的常规观测量
[2]
,而斜程能见度在空间目标探测领域尤为重要,如航
空领域中飞机安全起降问题,需要准确测量飞机起飞和着陆航道上的斜程能见度
[3]
。由于大
气状态的随机性与多变性,故斜程能见度实时探测已成为研究的热点问题
[4]
。
大气能见度测量主要有直接测量法和间接反演法,直接测量法主要有目测法
[4]
和照相法
[5]
,间
接反演法主要有气溶胶采样法
[6]
和光学参数测量法。光学参数测量法已成为目前大气能见
度观测的主要手段,主要有透射式能见度仪
[6]
和散射式能见度仪
[7]
(包含后向散射式能见度仪,
即激光雷达能见度仪
[8-9]
)。然而,目前研究大多集中于水平能见度的观测。随着后向散射式
激光雷达技术的飞速发展,其在斜程能见度领域的测量能力日益得到研究者的关注。
大气斜程能见度测量的主要影响因素有人眼的生理视觉特征、目标与背景的光学特性、观
测路径大气柱的光学特性,以及大气消光系数的分布等
[1,4]
。观测路径大气柱的光学特性主要
受太阳天顶角、观测视角和大气状态等因素影响,可通过大气辐射传输方程进行仿真分析
[10-
11]
。大气消光系数分布依赖于激光雷达的实际观测。目前研究者大多利用可见光波段的米
散射激光雷达开展大气能见度的观测和算法优化分析
[8,12-16]
,其反演的大气消光系数廓线准确
性受限于系统重叠因子、迭代边界设定和激光雷达比假定。采用米-拉曼散射激光雷达系统
的相关研究受限于高功率激光器的系统集成限制,进而不具备扫描功能
[5, 17-18]
。因此,针对飞
机起降安全的斜程能见度探测问题,研制米-拉曼散射扫描型激光雷达开展大气能见度探测
的研究鲜有报道。
基于大气气溶胶粒子和分子的米散射和振动拉曼散射原理,考虑机场可见光遥感限制的实际
需求,采用高眼安全阈值的 Nd∶YAG 激光器的基频(1064 nm)和三倍频(355 nm)激光脉冲
作为光源,成功研制了 4 通道米-拉曼散射扫描型激光雷达。利用上下位机控制结构控制收
发装置的水平 360°和俯仰±40°二维电控扫描,利用有限状态机理论和多线程并发技术,实现
数据采集模块、扫描控制模块、高压控制模块、激光控制模块、数据处理模块和数据存储
模块等多模块协同控制软件,以及 4 通道 40 MSa/s 的 16 bit 模拟数据采集、处理与显示,以
实现双波长无激光雷达比假定的大气消光系数廓线反演,进而开展精细的大气斜程能见度观
测研究。
2 大气能见度探测原理
大气能见度分析的目的在于透过大气观测目标物时能够从背景中有效识别出目标物,依据
Purkinje 理论,物体和背景的亮度差异是大气能见度理论的核心因素。因此,通常将大气透过
前后的亮度差异分别定义为固有亮度对比 C
0
和视亮度对比 C
L
[3]
,二者的表达式为
C0=|Bb,0−Bt,0|max(Bb,0,Bt,0),(1)CL=|Bb,L−Bt,L|max(Bb,L,Bt,L),(2)C0=Bb,0-
Bt,0max(Bb,0,Bt,0),(1)CL=Bb,L-Bt,Lmax(Bb,L,Bt,L),(2)
式中:B
t,0
和 B
b,0
分别为目标和背景的固有光亮度;B
t,L
和 B
b,L
分别为目标和背景的视光亮度; L
为观测点与目标物之间的大气路径长度;max(·)为取最大值函数。
考虑大气消光导致的目标物光亮度的减弱效应和观测方向大气柱发光导致的光亮度增强效
应,将目标物和背景的视亮度表示为
Bt,L=Bt,0TL+DL,(3)Bb,L=Bb,0TL+DL,(4)Bt,L=Bt,0TL+DL,(3)Bb,L=Bb,0TL+DL,(4)
式中:T
L
和 D
L
分别为长度为 L 的观测路径的大气透过率和气柱亮度,二者表达式
[3]
为
TL=exp[−∫L0α(l)dl],(5)DL=∫L0J(l)Tldl,(6)TL=exp-∫0Lα(l)dl,(5)DL=∫0LJ(l)Tldl,(6)
式中:T
l
为长度为 l 的观测路径的大气透过率;α(l)为沿观测方向距离观测点 l 处大气微元的消
光系数;J(l)为相应大气微元向观测点方向发射的散射光亮度(源函数),其表达式
[3]
为
J(l)=14πE(l)P(l)β(l),(7)J(l)=14πE(l)P(l)β(l),(7)
式中:E(l)、β(l)和 P(l)分别为相应大气微元的光照度、散射系数和散射相函数。若观测大气
路径 l 上的光照度均匀,则 E(l)为常数。若观测路径附近有光源或较强的反射体,如不均匀云
层等,会导致复杂的气柱照明,则 E(l)不为常数,需要通过大气传输方程进行分析
[11]
。
观测中通常是从较亮背景中提取较暗目标物,即 B
t,0
<B
b,0
,式(2)可表示为
CL=|Bb,L−Bt,L|Bb,L=Bb,0TLBb,0TL+DLC0=YLC0,(8)CL=Bb,L-
Bt,LBb,L=Bb,0TLBb,0TL+DLC0=YLC0,(8)
式中:Y
L
为亮度对比传输函数,反映了光亮度在大气中传输时固有对比的变化情况,可表示为
YL=Bb,0TLBb,0TL+DL=Bb,0Bb,LTL,(9)YL=Bb,0TLBb,0TL+DL=Bb,0Bb,LTL,(9)
可以看出,只要观测路径的大气柱存在发光,即 D
L
>0,则 Y
L
<1。当目标物处的背景亮度与观
测点的背景亮度一致时,即 B
b,0
=B
b,L
时,Y
L
=T
L
。此时,大气柱发光导致的光亮度增强效应恰好
能抵消大气消光导致的光亮度减弱效应。例如,在水平均匀大气中,当气柱发光只考虑大气
天空散射光时,可满足该条件,进而得到常见的水平能见度参数,即水平能见距,其表达式为
Vε=−lnεα,(10)Vε=-lnεα,(10)
式中:ε 为亮度对比阈值,可取 0.02 或 0.05;α 为消光系数。通常选择人眼最敏感的 550 nm
波长作为能见度的评价波长,因此需要考虑消光系数 α 对波长的依赖性
[8]
,即式(10)通常表示
为
α=−lnεVε(550λL)q,(11)α=-lnεVε550λLq,(11)
式中:λ
L
为激励波长,其单位为 nm;q 为大气的 Angstrom 指数,其表达式
[8]
为
q=⎧⎩⎨⎪⎪0.585V1/3,1.3,1.6,Vε<6km6km≤Vε<50kmVε≥50km,(12)q=0.585V1/3,
Vε<6km1.3,6km≤Vε<50km1.6,Vε≥50km,(12)
式中:V 表示 V
ε
的数值大小。
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