基于CCD激光雷达的水平能见度的测量方法

摘要

本发明公开了一种基于CCD激光雷达的大气水平能见度的测量方法，包括有以下装置：激光发射部分、光学接收部分和数据采集部分，激光发射部分包括激光器、准直器，光学接收部分主要包括CCD摄像机、滤光片，滤光片位于CCD摄像机的镜头前方，数据采集部分包括有计算机，CCD摄像机与计算机通讯连接；激光器发射激光水平射向大气,激光路径无遮挡物,CCD摄像机与激光器成微小角度,CCD摄像机将激光回波信号完全接收,通过计算机采集、处理激光回波图像后得到大气水平能见度。本发明白天和夜晚可连续运转，探测快速，结构简洁、体积小、重量轻，便于携带和移动，应用前景广泛。

主权项

1.一种基于CCD激光雷达的大气水平能见度的测量方法，其特征在于，采用CCD激光雷达系统，CCD激光雷达系统包括有以下装置：激光发射部分、光学接收部分和数据采集部分，激光发射部分包括激光器、准直器，光学接收部分主要包括CCD摄像机、滤光片，滤光片位于CCD摄像机的镜头前方，数据采集部分包括有计算机，CCD摄像机与计算机通讯连接；测量过程如下：激光器发射激光水平射向大气, 激光路径无遮挡物, CCD摄像机与激光器成微小角度, CCD摄像机将激光回波信号完全接收, 通过计算机采集、处理激光回波图像；激光回波图像主要由几列光点和背景组成，几列长条光点为大气后向散射回波信号，由密到疏对应距离分布，像素距离分辨不是相等的，近处距离分辨高，远处距离分辨低；大气水平能见度的计算步骤为:1）使用所述的CCD激光雷达系统对准光线分布均匀背景进行图像采集，对图像进行归一化，保存此背景图像得到的数据用于对系统采集得到的激光回波图像进行平场，再对图像进行裁减保留包含激光回波和部分背景图像；2）从激光回波图像中逐行提取背景，将每行各列减去背景图像值，对每行各列值进行合并, 获得一维激光回波信号；3）进行距离几何校正, 获得激光回波信号随不同距离的分布；4）最后，根据以下原理和公式计算反演得到大气水平能见度数值：激光光束通过大气时，大气会对激光光束产生散射作用，其吸收作用在这532nm波长中可以忽略；设大气水平均匀，CCD摄像机接收到的距离R处的大气后向散射回波功率P(R)由下面的方程决定：P(R)=P₀CR^-2βexp(-2α_HR)(1)式中, P₀为激光发射功率（W）；C是CCD激光雷达的系统常数（W km³ Sr¹）；β是大气水平后向散射系数（km^-1 Sr^-1）；α_H是大气水平消光系数（km^-1）；对(1)式取对数并对距离R求导得：$\frac{d\left(\ln \left(P\left(R\right)R^2\right)\right)}{\mathrm{dR}}=\frac{1}{\beta }\frac{\mathrm{d\beta }}{\mathrm{dR}}-2{\alpha }_H---\left(2\right)$由于已假定大气水平均匀，故；因此，对ln(P(R)R²)和R进行最小二乘法线性拟合，拟合直线的斜率的一半则为532nm 波长的大气水平消光系数α_H，此即所谓的斜率法；由于532nm与550nm 两个波长相靠很近，故可以用532nm波长的大气水平消光系数α_H作为550nm波长的大气水平消光系数；大气水平能见度V与550 nm波长的大气水平消光系数α_H之间的关系如下：$V=\frac{\ln ϵ}{{\alpha }_H}=\frac{3.912}{{\alpha }_H}---\left(3\right)$由(3)式得到大气水平能见度V。