后向散射式小型激光雷達能見度儀探測研究

莊子波，黃 煒，符 超，蔣立輝

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

引 言

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

能見度設備方面，美國、德國和芬蘭在這一領域一直處于領先地位，國內僅有少數科研機構完成了樣機的研制，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、安裝過程復雜，只能獲取水平方向能見度。在出現不均勻的霧、局部的雨或雪暴的情況下，儀器的讀數極易出現誤差。同時由于其測量采樣空間小，測量結果只能反映小區域能見度信息，對霧團等嚴重影響交通安全的天氣現象無法做出準確、及時的反映。可以看出，進行能見度測量設備的研制具有重大的現實意義，且能夠大力推進民航設備的國產化進程，實現我國從民航大國到民航強國的轉變。

本文中基于嵌入式計算機設計了一臺激光雷達能見度儀探測大氣，首先選用PCM-3370E作為系統集成解決方案，實現了系統輕小化設計和數據處理。其次利用激光探測的優點，可有效獲得整個探測路徑的能見度信息，填補了傳統能見度儀點監視的盲區。本系統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。且激光雷達具有高時空分辨率和大測量范圍等特點，能夠準確預報霧團等嚴重威脅交通安全的環境特征，可廣泛應用于機場氣象監測、空中交通安全預警及大氣科學研究領域。

1 系統測量原理

激光雷達探測的基本原理為:首先探測激光由激光器發出，在探測路徑上與大氣分子和氣溶膠粒子等介質相互作用，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接收，最后通過數據處理計算相應的消光系數并得到此時的能見度。根據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，ε為視覺感應閾值，即人眼能夠將目標從背景中分辨出來的最小亮度對比，航空領域國際民航組織(International Civil Aviation Organization，ICAO)推薦取 ε=0.05。

由于本設備采用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。

2 系統概述及控制實現

2．1 系統概述

系統采用收發分置離軸結構，如圖1所示，主要由三部分組成:激光發射單元、接收光學單元、信號采集和控制單元。系統采用模塊化和輕小全固化結構，體積小巧、結構緊湊、輕便穩定，系統整體封裝于210mm×170mm×140mm的鋁結構框架中。

Fig.1 Structure of the system

Fig.2 Circuit of the system

系統電路結構如圖2所示，在光學設計方面，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頻率的特點，既滿足了人眼安全的標準，又能保證單位時間脈沖積累的數目，提供了足夠的平均發射功率［2］。光束耦合器將激光器發射的激光束轉換為光纖中的光波，用來聚焦和準直激光的發射光束，降低激光發射過程中的能量損耗。本設計中采用了一對口徑均為50mm的發射/接收望遠鏡，望遠鏡由錐形鏡筒及后續的平面鏡、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，用于發射和接收激光信號。同時，通過約束發射/接收視場角，以提高探測激光的能量利用率，并且保證發射視場角略小于接收視場角。系統工作狀態下發射望遠鏡將激光匯聚成平行光束，發射至探測空間。接收望遠鏡由一組組合透鏡構成，接收與大氣相互作用后散射回的激光雷達回波信號。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。

在電學設計方面，采用了模塊化的設計思想。針對激光雷達回波信號相對微弱［3］的特點，此處選用低噪聲、高量子效率，可實現單光子探測的雪崩光電二極管探測器SPCM-AQRH-10實現光信號至電信號的轉換，然后由同軸電纜接口(bayonet nut connector，BNC)將電信號發送至光子計數卡。光子計數卡完成數據的采集，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］。系統主要技術參量如表1所示。

經過隨訪以及引產結果，證實了90名孕婦中，存在34例出現中樞神經系統畸形胎兒，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例腦室擴張；對照組孕婦中，其中有27例檢查結果一致，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，數據差異具有可比性（P＜0.05）。

Table 1 Parameters of the lidar visibility system

值得一提的是，本系統的數據存儲、處理和控制由嵌入式計算機完成［5-6］。考慮到整個激光雷達能見度測量系統的便攜性和數據處理性能要求，選用基于PC/104總線的研華PCM-3370E作為系統集成解決方案。在尺寸上，該板卡規格為96mm×115mm，滿足系統結構輕小化要求。在性能上，該嵌入式計算機采用Intel Celeron 400MHz處理器，512M內存，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以太網接口，配有4G的小型快閃(compact flash，CF)卡，數據處理能力完全滿足系統的實際應用要求。光子計數卡可以通過轉接模塊與該板卡的120針基于外設互聯設備(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口還可以實現儀器的遠程控制，實現多種測量設備的組網和統一控制。圖3為PCM-3370E的內部結構框圖。

Fig.3 Internal structure of PCM-3370E

在數據處理方面，本系統采用了一種基于Fernald后向積分法的大氣消光系數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初值的不確定，從而導致結果不穩定的現象，通過控制迭代精度，經過有限次迭代可以得到穩定的輸出結果，為激光雷達能見度系統測量結果的可靠性提供了算法的保障。

2．2 系統控制實現

整個激光雷達能見度測量系統的工作時序由嵌入式計算機控制，控制對象包括激光器、光子計數卡、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，光子計數卡和光電探測器通過門控電路進行直接控制。

Fig.4 Working sequence of the system

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

系統處于工作狀態時，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回波信號進行光電轉換，然后由MCS-pci完成信號的采集，并將采集的結果傳至嵌入式計算機，最后由PCM-3370E完成數據的處理。

3 外場測試結果及分析

為了測試系統的性能，首先系統進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行了水平能見度的對比實驗，最后采用飛機實測法進行了斜程能見度的對比實驗。

圖6所示為激光雷達能見度儀在2013-08-13連續24h的水平能見度測量結果［9］，并將測試結果與美國Belford前向散射式能見度儀進行對比實驗。圖中曲線design表示激光雷達能見度系統的測量結果，橫坐標表示探測的具體時刻，縱坐標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，能見度在2.2km左右波動。將本次外場測量結果與美國Belford前向散射式能見度儀進行對比實驗，得到兩者測量誤差在10%以內。經過后續大量的對比實驗，如表2所示，統計得到本系統測量總體誤差在15%以內，完全符合ICAO對于機場氣象測量設備的要求［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，但是在測量結果上保持了較高的一致性，這表明本激光雷達能見度儀具有較高的準確性，并且具有良好的全天候工作能力。

另外經過大量的實驗發現，本系統在低能見度條件下測量結果要優于高能見度情況，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，信噪比明顯提高。由于本系統特別是針對低能見度情況設計的，低能見度天氣條件下的測量結果更具有實際意義，適用于機場跑道能見度測量的實際情況。

表3中給出了系統與飛機實測斜程能見度的對比實驗結果。對比實驗結果表明，本系統在進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，也滿足了ICAO對于機場氣象測量設備的要求。

Table 3 Slant visibility measurement of comparative field tests

4 結束語

基于后向散射原理，以嵌入式計算機為系統控制和數據處理核心，設計了一臺小型激光雷達能見度儀，該系統采用模塊化和輕小全固化結構，具有緊湊小巧、穩定輕便等優點。該系統不僅能夠測量水平能見度，還可測量斜程能見度，充分滿足了機場的應用需求。經過外場測量實驗和對比實驗，該系統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對于機場氣象設備的要求，對于推動國內機場氣象設備國產化進程有舉足輕重的意義，具有很高的應用前景。

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