高速公路團霧實時監測儀的製作方法
2024-03-06 18:48:15
專利名稱：高速公路團霧實時監測儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及高速公路行車安全監測預警裝置，更具體地說是一種針對高速公路
突發性團霧的實時監測儀器。
背景技術：
團霧是局部微大氣環境出現突變而形成的，是在數十米到上百米的局部範圍內 出現的霧。 一般出現在地勢低洼、空氣溼度大的地區，與局部小氣候環境關係密切。在 空氣溼度比較大，晝夜溫差大的季節，白天水份蒸發到空中，晚上氣溫下降後，空氣中 的水蒸氣極易凝結形成團霧。 我國大部分地區地處溫帶與亞熱帶地區，氣侯溫暖溼潤，"五縱七橫"貫穿其 中的國家高速公路網目前已實現通車總裡程達6.03萬公裡，高速公路經過的區域地理、 氣象特徵具有多樣性，再加上高速公路鋪裝路面白天在太陽曝曬下溫度很高、晝夜溫差 更大，這就導致團霧頻頻光顧高速公路。團霧的產生具有偶發性、區域性的特點，而現 有的氣象監測手段只能預報大範圍霧的發生，無法實現針對團霧這種區域性突發小氣象 條件的預報與預警，因此，車輛在高速公路上行駛時難以提前得到警示，往往造成駛入 "團霧"區域內根本來不及減速，當他們以高速行駛到團霧中時，能見度陡然降低，猛 然視線受阻，往往盲目減速造成後車追尾，常常釀成重大交通事故。 目前，我國高速公路上雖然安裝了一些能見度監測設備，但其在測量中以相 對較小空間樣本的取樣，反演區域尺度能見度，難以反映長尺度區域能見度的"真實 狀況"，特別是無法實時監測團霧這種能見度低，勢力範圍比較小的局部小氣候環境特 徵，很難推廣使用。
發明內容
本發明是為解決上述現有技術對高速公路團霧實時監測手段的不足，提供一種
高速公路團霧實時監測儀，實現全天候、實時自動監測團霧的發生，為高速公路管理部
門解決團霧對行車安全的影響提供決策和應急指揮的技術手段。
為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案 本發明高速公路團霧實時監測儀的結構特點是所述監測儀具有 —雷射發射/接收模塊，是由雷射器、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、小孔光闌
和窄帶濾光片構成；所述雷射器輸出光束經發射光學鏡頭準直、擴束處理後發出雷射；
經大氣散射的雷射回波信號通過由接收光學鏡頭接收並匯聚，再依次經過小孔光闌和窄
帶濾光片獲得光檢測信號； —探測器及信號採集模塊，是由單光子光電探測器、光子計數器、嵌入式工控 機和總線轉換器構成；雷射發射/接收模塊中窄帶濾光片的輸出光檢測信號聚焦在單光子 光電探測器的光敏面上，經光電信號轉換獲得電檢測信號；所述電檢測信號在光子計數 器中進行數字計數；計數結果通過USB總線存儲到嵌入式工控機中，並在所述嵌入式工控機中進行數據處理，數據處理信號通過總線轉換器傳遞至高速公路光纖網； —雷射器驅動及時序控制模塊，是由雷射器驅動電路和時序控制電路構成；由
所述時序控制電路產生雷射器工作所需的脈衝序列，並經雷射器驅動電路驅動雷射器工
作；時序控制電路同時產生單光子光電探測器的工作門控信號及光子計數器的採集控制
信號，並通過數據線控制單光子光電探測器及光子計數器按時間序列採集信號。 本發明高速公路團霧實時監測儀的結構特點也在於 所述雷射發射/接收模塊中的雷射器採用微寶石Nd:YAG雷射器，發射波長為
532nm ;所述發射光學鏡頭和接收光學鏡頭採用分置離軸的結構形式。所述發射光學鏡頭口徑為20mm，接收光學鏡頭口徑為30mm。 所述探測器及信號採集模塊中採用基於脈衝甄別的單光子光電探測器和基於數
字計數的光子計數器。 所述雷射器驅動及時序控制模塊中時序控制電路採用CPLD器件。 本發明利用雷射器發出光束，光束在大氣信道中傳輸，由於大氣中分子和微粒
對光束的散射和吸收作用，信號接收器接收到的光信號會發生衰減，按時間序列採集激
光回波信號，通過逐點反演大氣的水平能見度，判別能見度有無突變，並結合光束在傳
播路徑上遇見團霧時因大氣中的氣溶膠粒子散射效應顯著增強，接收光學系統接收信號
能量將會突然增強，但隨後隨著光束進入團霧後總體衰減效應的加大，回波信號將急劇
衰減的特點，通過對回波信號的全程波形採集分析共同得出團霧的具體位置。 本發明通過對雷射測程上回波信號的按時間序列的採集，計算出每個採樣點的
能見度值，這樣便可以根據能見度值的變化規律結合回波信號模擬特徵判別測程上有無
團霧及團霧的位置信息。 本發明中能見度的計算方法如下 根據Koschmieder定律，大氣水平能見度定義為當輻射在傳輸過程中衰減為光源 的2%時對應的傳播距離，即n = e—oV (l) 式中n為視覺反應閾值； o為大氣消光係數； V為能見度，是人眼將目標從背景中區別出來的最小亮度對比(0.02); 對(1)式求導可得
formula see original document page 4 Koschmieder公式是針對人眼感覺的光波(白光)而言的，作為近似，可以用人眼 最敏感的綠光Q 二0.55ym)的衰減係數來代替白光的衰減係數，對於其他波長應作如下 訂正 formula see original document page 4
其中，V的單位為km，波長A以iim計。
式(3)中係數q由以下經驗公式決定
而變化c
0,5§5F]
1.3
1.6
『< 6im 6few S『<
(4)
通過上述公式可以看出能見度V只與大氣的消光係數有關，
且不隨白天或黑夜
:的測量反演大氣的
極大地提高了儀器 本發明可測範圍達
消光係數與雷射回波能量成正比關係，通過對雷射回波能』 消光係數，從而計算出大氣能見度。
與現有技術相比，本發明有益效果體現在
1、本發明監控範圍大，可實現對團霧的實時監控
本發明採用雷射探測方法，探測器及信號採集模塊的設置， 的探測靈敏度，為大範圍監控、長尺度監測團霧的發生提供了可能。 30m 2000m;通過雷射器連續脈衝的發射，監測回波信號，反演計算可實現對團霧的 實時監控，高速嵌入式工控機的應用，使每5分鐘內即可輸出一組測量信息。
2、本發明針對高速公路數據傳輸要求，嵌入式工控機採用串行數據輸出，數據 交換便捷。 3、本發明擴展性強，通過在嵌入式工控機中配備多個數據接口，包括USB接 口、串行口，加上其自身運算處理能力強，可擴展控制多個對象，極大地提高了系統的 可拓展性。 4、本發明採用模塊化設計，結構緊湊，體積小、功耗低，配合設置太陽能供電 系統，適宜在高速公路上全線布點。 5、本發明採用雷射探測方法，通過配備溫控電路、氣動吹掃機構，可不受任何 氣象條件限制，實現全天候實時監測。
圖1為本發明儀器的系統基本組成框圖。
圖2為本發明中雷射發射/接收模塊結構示意圖。
具體實施例方式
參見圖l，本發明系統組成包括雷射學發射/接收模塊、探測器及信號採集模 塊、雷射器驅動及時序控制模塊，其中 雷射發射/接收模塊包括有雷射器、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、小孔光闌和 窄帶濾光片；雷射器輸出光束經發射光學鏡頭準直、擴束處理後發出雷射；經大氣散射 的雷射回波信號由接收光學鏡頭接收並匯聚，再依次經過小孔光闌和窄帶濾光片獲得光 檢測信號。 雷射器輸出光束經發射光學鏡頭做光學準直、擴束處理，以改善雷射的準直 度，降低發散角，在使發射鏡頭的雷射光斑能量分布更加均勻的同時，儀器可獲得理想 的長程測量效果；小孔光闌放置在接收光學鏡頭匯聚光的焦平面前；為降低來自太陽光 的散射和背景輻射等帶來的背景光噪聲，提高儀器接收信噪比，經接收光學鏡頭匯聚的 光信號通過窄帶濾光片以濾除雷射工作波長以外的背景光，在確保窄帶濾光片光學透過率的前提下，濾光片帶寬應儘量窄；雷射發射/接收模塊中發射光學鏡頭和接收光學鏡頭 採用分置離軸的結構形式，雷射發射/接收模塊整體安裝在一個有平整度要求的基板上。
具體實施中，雷射器採用微寶石Nd:YAG雷射器，單脈衝發射能量為IP J， 發射波長為532nm，發射光學鏡頭口徑為20mm，經發射光學鏡頭後，雷射發散角為 O.lmrad;接收光學鏡頭口徑為30mm，小孔光闌孔徑為0.2mm，窄帶濾光片帶寬為 lnm。 探測器及信號採集模塊包括單光子光電探測器、光子計數器、嵌入式工控機和 總線轉換器；雷射發射/接收模塊中經窄帶濾光片的輸出光檢測信號聚焦在單光子光電探 測器光敏面上，經光電信號轉換獲得電檢測信號，電檢測信號在光子計數器中進行數字 計數；數字計數的結果通過USB總線存儲到嵌入式工控機中，並在嵌入式工控機中進行 數據的反演、處理，數據處理的結果通過總線轉換器與高速公路光纖網連接。
具體實施中，單光子光電探測器採用日本Perkin-Elmer公司的單光子探測器， 光子計數器採用國產KU01單路USB接口模塊，這一結構設置是採用脈衝甄別和數字計 數，可實現將極其微弱的信號識別並提取出來，提高信號測量結果的信噪比，輸出的數 字信號，適合與計算機接口連接，以便進一步進行數字數據處理；嵌入式工控機採用研 華公司的ARK3370 ;總線控制器為RS232/485轉換器。 雷射器驅動及時序控制模塊包括雷射器驅動電路及時序控制電路。時序控制電 路產生雷射器工作所需的脈衝序列，經雷射器驅動電路驅動雷射器工作；時序控制電路 同時產生單光子光電探測器的工作門控信號及光子計數器的採集控制信號，通過數據線 控制單光子光電探測器及光子計數器按時間序列採集信號； 具體實施中，雷射器驅動電路對時序控制電路產生的脈衝序列進行處理，使其 達到滿足驅動雷射器工作的要求脈衝為TTL電平。其中上升沿《20ns(幅度10% 90%)，且在幅度《1V，上升時間《5n。時序控制電路採用CPLD器件GAL22V10預以實 現，基於ABEL硬體描述語言合理設計時序控制方案。該技術路線可先通過計算機進行 仿真，再實際投人使用，降低了設計風險性，同時該方案跟分立元件設計相比，具有速 度快、容量大、功耗小、集成度高、可靠性強等優點。 本實施例中的各組成部分封裝在一個密閉的殼體中，在其殼體上開有一個玻璃 窗體，為發射及接收光學信號提供通道。 具體實施中，雷射發射/接收模塊結構示意如圖2所示，Nd:YAG雷射器l發出 光經發射光學鏡頭2射出，回波信號通過接收光學鏡頭4接收。發射光學鏡頭2與接收 光學鏡頭4是採用分置離軸的方式布設，模塊整體平行安裝在一個平整度要求為50微米 以內的基板8上。正對著雷射發射光學鏡頭2和接收光學鏡頭4，在封裝殼體上開有玻璃 窗體3，保障光路的暢通。雷射接收鏡頭4接收到的光束經小孔光闌5，並通過窄帶濾光 片6除去背景光的信號幹擾匯聚到單光子光電探測器7上。 圖1示出，具體實施中，設置系統輔助單元，由氣動吹掃機構、溫/溼度採集電 路、控制電路和太陽能供電模i央，其中 氣動吹掃機構由微型真空泵在殼體外部對其玻璃窗體外進行吹氣，防止玻璃窗 體3上附著水滴、霧氣及灰塵。 溫/溼度採集電路及控制電路是由溫度傳感器、溼度傳感器、半導體製冷器、單片機及外圍電路組成。以單片機控制溫度傳感器和溼度傳感器分別採集本監測儀內部及 外部溫度和溼度信息，並根據儀器內部溫度信息啟動溫控電路進行相應的加熱或製冷， 保證雷射器及單光子光電探測器具有一個恆定的工作溫度。單片機通過RS232串口與嵌 入式工控機連接，將溫度傳感器、溼度傳感器採集到的信息發送給嵌入式工控機。
太陽能供電模塊包括有太陽能電池板、蓄電池及DC/DC轉換器，其中DC/DC轉 換器把蓄電池輸出的24V電壓轉換成監測儀供電電壓12V。
本發明控制方式按如下步驟進行 雷射器通過光學發射鏡頭髮出雷射，經接收光學鏡頭接收大氣散射信號，接收 光學信號經小孔光闌、窄帶濾光片做光學信號處理； 通過探測器及信號採集模塊進行光學-電學信號轉換、採集及處理，計算出團霧 信息並通過總線轉換器送至高速公路光纖網； 通過雷射器驅動及時序控制模塊產生雷射器驅動脈衝和探測器及信號採集模塊 所需的各種控制信號。
權利要求
高速公路團霧實時監測儀，其特徵是所述監測儀具有一雷射發射/接收模塊，是由雷射器、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、小孔光闌和窄帶濾光片構成；所述雷射器輸出光束經發射光學鏡頭準直、擴束處理後發出雷射；經大氣散射的雷射回波信號通過由接收光學鏡頭接收並匯聚，再依次經過小孔光闌和窄帶濾光片獲得光檢測信號；一探測器及信號採集模塊，是由單光子光電探測器、光子計數器、嵌入式工控機和總線轉換器構成；雷射發射/接收模塊中窄帶濾光片的輸出光檢測信號聚焦在單光子光電探測器的光敏面上，經光電信號轉換獲得電檢測信號；所述電檢測信號在光子計數器中進行數字計數；計數結果通過USB總線存儲到嵌入式工控機中，並在所述嵌入式工控機中進行數據處理，數據處理信號通過總線轉換器傳遞至高速公路光纖網；一雷射器驅動及時序控制模塊，是由雷射器驅動電路和時序控制電路構成；由所述時序控制電路產生雷射器工作所需的脈衝序列，並經雷射器驅動電路驅動雷射器工作；時序控制電路同時產生單光子光電探測器的工作門控信號及光子計數器的採集控制信號，並通過數據線控制單光子光電探測器及光子計數器按時間序列採集信號。
2. 根據權利要求1所述的高速公路團霧實時監測儀，其特徵是所述雷射發射/接收模 塊中的雷射器採用微寶石Nd:YAG雷射器，發射波長為532nm;所述發射光學鏡頭和接 收光學鏡頭採用分置離軸的結構形式。
3. 根據權利要求2所述的高速公路團霧實時監測儀，其特徵是所述發射光學鏡頭口徑 為20mm，接收光學鏡頭口徑為30mm。
4. 根據權利要求1所述的高速公路團霧實時監測儀，其特徵是所述探測器及信號採集 模塊中採用基於脈衝甄別的單光子光電探測器和基於數字計數的光子計數器。
5. 根據權利要求1所述的高速公路團霧實時監測儀，其特徵是所述雷射器驅動及時序 控制模塊中時序控制電路採用CPLD器件。
全文摘要
本發明公開了一種高速公路團霧實時監測儀，其特徵是具有一雷射發射/接收模塊，由雷射器的輸出光束在經發射光學鏡頭準直、擴束處理後發出雷射；經大氣散射的雷射回波信號通過由接收光學鏡頭接收並匯聚，再依次經過小孔光闌和窄帶濾光片獲得光檢測信號；一探測器及信號採集模塊，是由單光子光電探測器、光子計數器、嵌入式工控機和總線轉換器構成；另有雷射器驅動及時序控制模塊。本發明可在白天、夜晚及各種惡劣條件下全天候工作，監控範圍大，實現對團霧的實時監控，其數據傳輸便捷、體積小、功耗低，適宜在高速公路上全線安裝布施。
文檔編號G02B27/09GK101692307SQ20091018484
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月16日 優先權日2009年10月16日
發明者孫東松, 戚俊, 李季, 王旗志, 王月琴 申請人:合肥霍金光電科技有限公司