雷射測量大氣能見度方法及雷射雷達能見度儀的製作方法
2023-10-09 14:44:04
專利名稱：雷射測量大氣能見度方法及雷射雷達能見度儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及大氣監測設備技術領域，具體是雷射測量大氣能見度方法及雷射雷達能見度儀。
背景技術：
能見度是指目標物的能見距離，即指觀測目標物時，能從背景中分辨出目標物的最大距離。自20世70年代以來，由於世界各大城市的空氣汙染程度日益嚴重，導致城市大氣能見度降低，成為公眾和環保部門重點關注的問題之一。能見度過低會嚴重地妨礙城市地面和空中交通，引發意外事故，造成重大經濟損失或人員傷亡。目前的能見度測量主要依靠透射式和前向散射能見度儀，只能獲取水平方向能見度，且在出現不均勻的霧、局地的雨或雪暴的情況下，儀器的讀數極易出現誤導。大氣透過率儀雖然能夠測量到斜程能見度，但需將接收機放置在塔上，隨探測角度的變化，接收機放置高度也要相應改變，無法用於機場跑道能見度監測。雷射雷達能見度儀因具有體積小，結構緊湊，測量精度高，且可自由改變探測角度的優點，是直接探測斜程能見度的唯一選擇。而目前能見度反演多採用斜率法求消光係數，這需要基於大氣水平方向分布均勻的假設，會造成能見度真實值的反演偏差。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種雷射測量大氣能見度方法及雷射雷達能見度儀，輸出穩定結果，且結果準確度高，且能獲取水平及斜程路徑平均能見度。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種雷射測量大氣能見度方法，包括步驟讀取探測到的後向散射信號Si,計算所述後向散射信號的信噪比SNRi,所述i為對應於不同距離R的採樣點；設定探測概率Pd的值和虛警概率Pfa的值，根據設定的探測概率和虛警概率確定探測閾值信噪比SNRth，其中，所述探測概率為信號和噪聲之和大於認為探測到信號的閾值的概率，虛警概率為在任一觀察時刻噪聲超過閾值的概率；從最遠端的採樣點開始，將探測信號信噪比SNRi與閾值信噪比SNRth進行比較，超過閾值時所對應的距離即為最大反演距離Rm ；根據探測到的後向散射信號Si,由斜率法獲得探測路徑上的大氣消光係數 oa(Rm)，並將第一次獲得的所述大氣消光係數Oa(Rm)作為大氣消光係數迭代過程的初值；迭代過程將所述大氣氣溶膠消光係數初值σ a(Rm)，通過美國標準大氣分子模式計算出的大氣分子的消光係數om: am(r) = 9.807 ■ 10—23 H. (^―)40117，
T(r) 1013 /1.10—7其中T(r)為大氣分子溫度隨高度變化函數；P(r)為大氣分子壓強隨高度變化函數，λ為雷射波長；及最大反演距離Rm同時代入後向積分公式
權利要求
1.一種雷射測量大氣能見度方法，其特徵在於，包括步驟讀取探測到的後向散射信號Si,計算所述後向散射信號的信噪比SNRi,所述i為對應於不同距離R的採樣點；設定探測概率Pd的值和虛警概率Pfa的值，根據設定的探測概率和虛警概率確定探測閾值信噪比SNRth，其中，所述探測概率為信號和噪聲之和大於認為探測到信號的閾值的概率，虛警概率為在任一觀察時刻噪聲超過閾值的概率；從最遠端的採樣點開始，將探測信號信噪比SNRi與閾值信噪比SNRth進行比較，超過閾值時所對應的距離即為最大反演距離Rm ；根據探測到的後向散射信號Si,由斜率法獲得探測路徑上的大氣消光係數σ a(Rm)，並將第一次獲得的所述大氣消光係數Oa(Rm)作為大氣消光係數迭代過程的初值；迭代過程將所述大氣氣溶膠消光係數初值σ a(Rm)，通過美國標準大氣分子模式計算出的大氣分子的消光係數σπ: = 9.807.10—23 273 P(f) . I N4.0117T(r) 1013 /I-IOw其中T(r)為大氣分子溫度隨高度變化函數；P(r)為大氣分子壓強隨高度變化函數，λ 為雷射波長；及最大反演距離Rm同時代入後向積分公式X(R)^V[-2(Sa-Sm)t Pm(r)dr]L——Χ( Ο-^^--SJSm^R)-^-+ 2「X(R) exp[-2(^fl-Sm)\ Pm (r)dr]Ga(Rm)^SJSmGm(Rm) ^k其中，X(R)為距離修正信號，Sa與Sni分別為大氣氣溶膠和大氣分子的後向散射比，Sni =οω(Γ)/βωω =8^/3, βπω為大氣分子後向散射係數。計算探測路徑上各採樣點的大氣氣溶膠消光係數，並對其求平均得到平均消光係數σ avg的值；當所述平均消光係數σ avg的值與大氣消光係數迭代過程的初值的差值大於預先設定的迭代誤差則重複所述迭代過程，並用所述迭代過程計算出的探測路徑上的平均消光係數 σ avg的值作為下次迭代過程的初值；當所述平均消光係數σ avg的值與大氣消光係數迭代過程的初值的差值小於預先設定的迭代誤差，則停止迭代過程，輸出平均消光係數σ avg的值；將平均消光係數Oavg的值與大氣分子消光係數σπ合併得到總的大氣消光係數 σ (入)，代入公式六4 = ￥(￥)^; λ代表雷射波長，計算得到大氣能見度V。
2.一種雷射雷達能見度儀，其特徵在於，包括信號讀取單元，用於讀取探測到的後向散射信號Si,計算所述後向散射信號的信噪比 SNRi,所述i為對應於不同距離R的採樣點；信噪比確定單元，用於設定探測概率Pd的值和虛警概率Pfa的值，根據設定的探測概率和虛警概率確定探測閾值信噪比SNRth，其中，所述探測概率為信號和噪聲之和大於認為探測到信號的閾值的概率，虛警概率為在任一觀察時刻噪聲超過閾值的概率；信噪比比較單元，用於從最遠端的採樣點開始，將探測信號信噪比SNRi與閾值信噪比 SNRth進行比較，超過閾值時所對應的距離即為最大反演距離Rm ；消光係數確定單元，用於根據探測到的後向散射信號Si,由斜率法獲得探測路徑上的大氣消光係數0a(Rm)；迭代單元，用於執行迭代過程，將所述大氣氣溶膠消光係數初值σ a(Rm)，通過美國標準大氣分子模式計算出的大氣分子的消光係數om:am(r) = 9.807· 10—23 —(^^)40117， mT(r) 1013 /1.107其中T(r)為大氣分子溫度隨高度變化函數；P(r)為大氣分子壓強隨高度變化函數，λ 為雷射波長；及最大反演距離Rm同時代入後向積分公式X(R)^V[-2(Sa-Sm)t Pm(r)dr]L——Χ( Ο-^^--SJSm^R)-^-+ 2「X(R) exp[-2(^fl-Sm)\ Pm (r)dr]Ga(Rm)^SJSmGm(Rm) ^k其中，X(R)為距離修正信號，Sa與Sni分別為大氣氣溶膠和大氣分子的後向散射比，Sni =οω(Γ)/βωω =8^/3, βπω為大氣分子後向散射係數。計算探測路徑上各採樣點的大氣氣溶膠消光係數，並對其求平均得到平均消光係數σ avg的值；迭代誤差確定單元，用於當所述平均消光係數σ avg與大氣消光係數迭代過程的初值的差值大於預先設定的迭代誤差則重複所述迭代過程，並用所述迭代過程計算出的探測路徑上的平均消光係數σ avg的值作為下次迭代過程的初值，當所述平均消光係數σ avg的值與大氣消光係數迭代過程的初值的差值小於預先設定的迭代誤差，則停止迭代過程，輸出所述平均消光係數σ avg的值。能見度獲取單元，用於將大氣大氣消光係數σ avg與大氣分子消光係數σπ合併得到總的大氣消光係數σ (入)，代入公式六2) = ￥(￥)^; λ代表雷射波長。計算得到大氣能見度V。
全文摘要
本發明涉及一種雷射測量大氣能見度方法及雷射雷達能見度儀，通過設定的探測概率和虛警概率獲得閾值信噪比，根據閾值確定最大探測距離，在這一過程中同時進行障礙目標的判別。在利用斜率法算得消光係數後，將其作為初值，代入後向積分公式進行迭代，當結果小於設定的迭代誤差時停止迭代。最後，根據消光係數與能見度關係式算得大氣能見度。
文檔編號G01S17/95GK102590145SQ20121000413
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月8日 優先權日2012年1月8日
發明者孫東松, 楊少辰 申請人:楊少辰