多層云實時測距裝置及其測距方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了多層云實時測距裝置及其測距方法。多層云實時測距裝置包括激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)、紅外激光二極管、信號識別計時器、系統(tǒng)控制模塊、光電探測器、后繼光路、小孔光欄、接收望遠(yuǎn)鏡；激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)設(shè)在紅外激光二極管前方，紅外激光二極管連接到信號識別計時器；信號識別計時器與光電探測器連接，光電探測器與后繼光路連接，后繼光路前方依次設(shè)有小孔光欄和接收望遠(yuǎn)鏡；激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)由復(fù)數(shù)塊可調(diào)節(jié)透鏡組合而成；系統(tǒng)控制模塊包括用于與上位計算機(jī)連接的通訊接口。本發(fā)明采用高效的光學(xué)發(fā)射接收系統(tǒng)以及簡潔的低成本測距識別電路，實現(xiàn)多層云底高度的測量，其可自動無人值守的全天候工作。
【專利說明】
多層云實時測距裝置及其測距方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多層云實時測距裝置及其測距方法。

【背景技術(shù)】
[0002]用于云底高度測量的儀器常使用測距原理和米散射激光雷達(dá)遙感等原理。
[0003]使用測距原理的儀器有云幕燈、激光測距云高儀等，云幕燈的測量精度太低所以現(xiàn)在基本上不再使用，激光測距云高儀采用發(fā)射激光脈沖到云層上，并記錄發(fā)射時間和由云底反射回的光脈沖信號的時間，通過時間推算距離，由于采取的結(jié)構(gòu)、使用的光源在大氣中的穿透能力不強(qiáng)，同時探測單元的接收能力不高，一般白天只有1-2千米，而夜間也只有8千米，且采取計時的技術(shù)路線是只記一次，所以這兩種實現(xiàn)途徑都只能測量一個單一的目標(biāo)，即只能探測離測量儀器最近的一層云底高，如果是多層云則不能測量。
[0004]米散射激光雷達(dá)遙感測原理:測量云高是探測激光脈沖在大氣中不同高度的后向散射信號，云是強(qiáng)散射信號，所以通過算法就能夠得到云底信息，由于激光雷達(dá)采取的結(jié)構(gòu)和單元器件參數(shù)其探測能力強(qiáng)，可以獲取十幾到幾十千米的大氣信息，所以多層云信息也同時獲得。但該技術(shù)不僅需要保證激光的穿透和探測能力還需要對大氣分層測量，造成采取的單元器件成本高，同時為保證儀器的野外使用性能采取了較多的保護(hù)措施，因此總體造價相對較高，在精度上不僅取決于硬件系統(tǒng)的構(gòu)成還取決于算法的精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種多層云實時測距裝置。
[0006]本發(fā)明要解決的另外一個技術(shù)問題是提供一種多層云實時測距方法。
[0007]對于多層云實時測距裝置，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:包括激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)、紅外激光二極管、信號識別計時器、系統(tǒng)控制模塊、光電探測器、后繼光路、小孔光欄、接收望遠(yuǎn)鏡；激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)設(shè)在紅外激光二極管前方，紅外激光二極管連接到信號識別計時器；信號識別計時器與光電探測器連接，光電探測器與后繼光路連接，后繼光路前方依次設(shè)有小孔光欄和接收望遠(yuǎn)鏡；激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)由復(fù)數(shù)塊可調(diào)節(jié)透鏡組合而成；系統(tǒng)控制模塊包括用于與上位計算機(jī)連接的通訊接口。
[0008]作為優(yōu)選，接收望遠(yuǎn)鏡為透射式組合鏡或折返式望遠(yuǎn)鏡。
[0009]作為優(yōu)選，后繼光路包括光學(xué)透鏡、準(zhǔn)直透鏡、光學(xué)濾光片。
[0010]對于多層云實時測距方法，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:包括以下步驟:
[0011](1)系統(tǒng)控制模塊控制紅外激光二極管發(fā)射一發(fā)激光脈沖后，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的光學(xué)擴(kuò)束系統(tǒng)整形進(jìn)入大氣；
[0012](2)大氣的后向散射信號由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收，通過小孔光欄和后繼光路到達(dá)光電探測器，由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再進(jìn)入信號識別計時器進(jìn)行信號的識別與計時，根據(jù)時間信息輸出云底高度；
[0013](3)在輸出激光脈沖的同時將同步信號發(fā)送到信號識別計時器作為計時起始信息，當(dāng)遇有云層時，回波信號會突然增強(qiáng)，相對于無云信號形成一個脈沖，識別計時器首先需要將該信號識別出，如果是一有效脈沖信號則記錄，同時將調(diào)整脈沖信號識別閾值等待下一脈沖的到來；所有記錄信息和脈沖識別閾值調(diào)整均有系統(tǒng)控制模塊完成；控制模塊還需要承擔(dān)激光脈沖輸出的控制和整體系統(tǒng)溫控的調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)野外全天候工作，同時有通訊接口提供云層信息到上位計算機(jī)。
[0014]作為優(yōu)選，步驟(1)中系統(tǒng)控制模塊作用是:
[0015]控制、協(xié)調(diào)包括紅外激光二極管、光電探測器、信號識別計時器各單元器件動作，以及控制溫度、濕度保護(hù)器件的動作；
[0016]實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，包括工作方式的設(shè)置和信息輸出。
[0017]作為優(yōu)選，步驟(3)中信號識別計時器用于連續(xù)識別脈沖信號，并記錄各自距起始時刻的時間，具體包括以下任務(wù):
[0018]可以自動調(diào)整識別閾值，當(dāng)激光能量在大氣傳輸中消耗時，隨著時間和云層數(shù)的增多，信號識別單元會自動調(diào)整信號識別的閾值，以實現(xiàn)每層云的探測；
[0019]可以多次計時，只要有云信號的出現(xiàn)，即從光電管有模擬信號輸出，在信號識別后轉(zhuǎn)換為脈沖信號，該脈沖信號即可觸發(fā)計時器記錄時間，只要在同一激光脈沖內(nèi)，有幾次就記錄幾次時間信息。
[0020]本發(fā)明采用了米散射激光雷達(dá)和普通測距相結(jié)合的原理。具體的說是采取能在大氣中具有高穿透和收集能力的激光發(fā)射接收結(jié)構(gòu)，采用紅外激光二極管和優(yōu)化的光束擴(kuò)束裝置，使光具備強(qiáng)的穿透能力，信號接收采用高接收效率的接收系統(tǒng)和高靈敏度的光電探測器，使得系統(tǒng)具備探測大氣回波信號的能力。信號的識別采用高速自動調(diào)整閾值的識別連續(xù)計時的識別計時器，具備同時記錄多個時間點的功能。當(dāng)有云時，光電探測器輸出信號的幅度會突然增大，計時器會記錄下自激光脈沖發(fā)射至信號增強(qiáng)的時間，由該時間乘以光速即可得到光從發(fā)射裝置到云處的往返距離，該距離的一半即為云底高度。不同高度云的回波信號在幅度上會有所不同，因此識別計時器的動作還具有有電平門限閾值自動識別功能，從而識別不同幅值目標(biāo)回波脈沖信號，實現(xiàn)多層云底高度測量。
[0021]本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下兩項關(guān)鍵點:
[0022]1)采用了高效的光學(xué)發(fā)射接收系統(tǒng)和簡潔的低成本測距識別電路，可以探測多層云底高度信息。首先是具備探測大氣氣溶膠及大氣分子的能力，這使得系統(tǒng)能夠探測十幾公里的云，其次是利用云回波信號的脈沖特點，直接輸入到信號識別計時器，能夠以高時間精確記錄云信號。
[0023]2)采用了優(yōu)化設(shè)計的識別計時器，具備自動調(diào)整識別云信號閾值和多次記錄計時的功能，實現(xiàn)多層云的探測。
[0024]該裝置實現(xiàn)多層云底高度的測量，實現(xiàn)自動無人值守的全天候工作。可用于氣象、環(huán)保、機(jī)場及科研單位的云底高度及云層的測量。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:
[0026]采用高效的光學(xué)發(fā)射接收系統(tǒng)以及簡潔的低成本測距識別電路，實現(xiàn)多層云底高度的測量，其可自動無人值守的全天候工作，適用于氣象、環(huán)保、機(jī)場及科研單位對云底高度及云層的測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0028]圖1是本發(fā)明多層云實時測距裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖中，1-激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)，2-紅外激光二極管，3-信號識別計時器，4~系統(tǒng)控制模塊，5-光電探測器，6-后繼光路，7-小孔光欄，8-接收望遠(yuǎn)鏡。

【具體實施方式】
[0030]圖1是多層云實時測距裝置，由激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)1、紅外激光二極管2、信號識別計時器3、系統(tǒng)控制模塊4、光電探測器5、后繼光路6、小孔光欄7、接收望遠(yuǎn)鏡8組成。
[0031]激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)1設(shè)在紅外激光二極管2前方，紅外激光二極管2連接到信號識別計時器3。信號識別計時器3與光電探測器5連接，光電探測器5與后繼光路6連接，后繼光路6前方依次設(shè)有小孔光欄7和接收望遠(yuǎn)鏡8。激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)1由復(fù)數(shù)塊可調(diào)節(jié)透鏡組合而成。系統(tǒng)控制模塊4包括用于與上位計算機(jī)連接的通訊接口。
[0032]工作過程:
[0033]系統(tǒng)控制模塊4控制紅外激光二極管2發(fā)射一發(fā)激光脈沖后，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)1整形進(jìn)入大氣，大氣的后向散射信號由接收望遠(yuǎn)鏡8接收，通過小孔光欄7和后繼光路6到達(dá)光電探測器5，由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再進(jìn)入信號識別計時器3進(jìn)行信號的識別與計時，根據(jù)時間信息輸出云底高度的數(shù)據(jù)。紅外激光二極管2在輸出激光脈沖的同時將同步信號發(fā)送到信號識別計時器3作為計時起始信息，當(dāng)遇有云層時，回波信號會突然增強(qiáng)，相對于無云信號形成一個脈沖，識別計時器首先需要將該信號識別出，如果是一有效脈沖信號則記錄，同時將調(diào)整脈沖信號識別閾值等待下一脈沖的到來。所有記錄信息和脈沖識別閾值調(diào)整均由系統(tǒng)控制模塊4完成。系統(tǒng)控制模塊4還承擔(dān)激光脈沖輸出的控制和整體系統(tǒng)溫溫度控制的調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)野外全天候工作，同時有通訊接口提供云層信息到上位計算機(jī)。
[0034]激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)1由多塊可調(diào)節(jié)透鏡組成，可適應(yīng)不同激光二極管的參數(shù)，使得最終發(fā)射的激光束達(dá)到使用要求，即在最短的距離內(nèi)可以落到接收視場內(nèi)，同時又具備足夠的穿透能力。
[0035]接收望遠(yuǎn)鏡8系統(tǒng)由透射式組合鏡構(gòu)成，也可以由折返式望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。
[0036]后繼光路6包括光學(xué)透鏡，準(zhǔn)直透鏡，光學(xué)濾光片等一系列光學(xué)調(diào)整及背景濾光。起到抑制背景，提高信號的信噪比作用。
[0037]信號識別計時器3是為多層云實時測距裝置設(shè)計的專用電路系統(tǒng)，具備連續(xù)識別脈沖信號的功能，并記錄各自距起始時刻的時間。其關(guān)鍵之一在于可以自動調(diào)整識別閾值，當(dāng)激光能量在大氣傳輸中消耗時，隨著時間和云層數(shù)的增多，信號識別單元會自動調(diào)整信號識別的閾值，以實現(xiàn)每層云的探測。其次，可以多次計時，只要有云信號的出現(xiàn)，即從光電管有模擬信號輸出，在信號識別后轉(zhuǎn)換為脈沖信號，該脈沖信號即可觸發(fā)計時器記錄時間，只要在同一激光脈沖內(nèi)，有幾次就記錄幾次時間信息。
[0038]系統(tǒng)控制模塊4用于控制、協(xié)調(diào)各部件動作，包括紅外激光二極管、光電探測器、信號識別計時器等部件工作，控制溫、濕保護(hù)器件的動作，確保整套系統(tǒng)野外工作的能力。實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，包括工作方式的設(shè)置，信息輸出等各種功能，實現(xiàn)多層云實時測距裝置的長期野外全自動工作。
[0039]本實施例采用了高效的光學(xué)發(fā)射接收系統(tǒng)和簡潔的低成本測距識別電路，可以探測多層云底高度信息。首先是具備探測大氣氣溶膠及大氣分子的能力，這使得該系統(tǒng)能夠探測十幾公里的云，其次是利用云回波信號的脈沖特點，直接輸入到信號識別計時器，能夠以高時間精確記錄云信號。
[0040]本實施例采用了優(yōu)化設(shè)計的識別計時器，具備自動調(diào)整識別云信號閾值和多次記錄計時的功能，實現(xiàn)多層云的探測。
[0041]本實施例多層云實時測距裝置的系統(tǒng)參數(shù)如下:
[0042]激光波長:90511111
[0043]脈沖輸出功率:50胃(在250002)
[0044]重復(fù)率:2.5-5^2
[0045]激光脈寬:?100118
[0046]接收望遠(yuǎn)鏡:口徑彡小150臟
[0047]濾光片帶寬:111111
[0048]探測器:？1丁
[0049]數(shù)據(jù)采集器:高速閾值自動調(diào)整信號識別計時器
[0050]探測范圍:0?15X111
[0051]全天候運行
[0052]以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.多層云實時測距裝置，其特征在于:包括激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)、紅外激光二極管、信號識別計時器、系統(tǒng)控制模塊、光電探測器、后繼光路、小孔光欄、接收望遠(yuǎn)鏡；所述激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)設(shè)在紅外激光二極管前方，所述紅外激光二極管連接到信號識別計時器；所述系統(tǒng)控制模塊與信號識別計時器連接，信號識別計時器還與光電探測器連接，所述光電探測器與后繼光路連接，所述后繼光路前方依次設(shè)有小孔光欄和接收望遠(yuǎn)鏡；所述激光擴(kuò)束整形系統(tǒng)由復(fù)數(shù)塊可調(diào)節(jié)透鏡組合而成；所述系統(tǒng)控制模塊包括用于與上位計算機(jī)連接的通訊接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層云實時測距裝置，其特征在于:所述接收望遠(yuǎn)鏡為透射式組合鏡或折返式望遠(yuǎn)鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層云實時測距裝置，其特征在于:所述后繼光路包括光學(xué)透鏡、準(zhǔn)直透鏡、光學(xué)濾光片。
4.多層云實時測距方法，其特征在于包括以下步驟: (1)由系統(tǒng)控制模塊控制紅外激光二極管發(fā)射一發(fā)激光脈沖后，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的光學(xué)擴(kuò)束系統(tǒng)整形進(jìn)入大氣； (2)大氣的后向散射信號由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收，通過小孔光欄和后繼光路到達(dá)光電探測器，由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再進(jìn)入信號識別計時器進(jìn)行信號的識別與計時，根據(jù)時間信息輸出云底高度； (3)在輸出激光脈沖的同時將同步信號發(fā)送到信號識別計時器作為計時起始信息，當(dāng)遇有云層時，回波信號會突然增強(qiáng)，相對于無云信號形成一個脈沖，識別計時器首先需要將該信號識別出，如果是一有效脈沖信號則記錄，同時將調(diào)整脈沖信號識別閾值等待下一脈沖的到來；所有記錄信息和脈沖識別閾值調(diào)整均有系統(tǒng)控制模塊完成；控制模塊還需要承擔(dān)激光脈沖輸出的控制和整體系統(tǒng)溫控的調(diào)節(jié)功能，以適應(yīng)野外全天候工作，同時有通訊接口提供云層信息到上位計算機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多層云實時測距方法，其特征在于:步驟(1)中所述系統(tǒng)控制模塊作用是: 控制、協(xié)調(diào)包括紅外激光二極管、光電探測器、信號識別計時器各單元器件動作，以及控制溫濕度保護(hù)器件的動作，確保整套系統(tǒng)野外工作的能力； 實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，包括工作方式的設(shè)置和信息輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多層云實時測距方法，其特征在于:步驟(3)中所述信號識別計時器用于連續(xù)識別脈沖信號，并記錄各自距起始時刻的時間，具體包括以下任務(wù): 可以自動調(diào)整識別閾值，當(dāng)激光能量在大氣傳輸中消耗時，隨著時間和云層數(shù)的增多，信號識別單元會自動調(diào)整信號識別的閾值，以實現(xiàn)每層云的探測； 可以多次計時，只要有云信號的出現(xiàn)，即從光電管有模擬信號輸出，在信號識別后轉(zhuǎn)換為脈沖信號，該脈沖信號即可觸發(fā)計時器記錄時間，只要在同一激光脈沖內(nèi)，有幾次就記錄幾次時間信息。
【文檔編號】G01S17/08GK104422933SQ201310371041
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月23日
【發(fā)明者】孫雪清, 孔潔, 程琳, 程雪 申請人:國家電網(wǎng)公司, 安徽省電力公司培訓(xùn)中心