高速公路团雾实时监测仪制造技术

本发明专利技术公开了一种高速公路团雾实时监测仪，其特征是具有一激光发射／接收模块，由激光器的输出光束在经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号通过由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号；一探测器及信号采集模块，是由单光子光电探测器、光子计数器、嵌入式工控机和总线转换器构成；另有激光器驱动及时序控制模块。本发明专利技术可在白天、夜晚及各种恶劣条件下全天候工作，监控范围大，实现对团雾的实时监控，其数据传输便捷、体积小、功耗低，适宜在高速公路上全线安装布施。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高速公路行车安全监测预警装置，更具体地说是一种针对高速公路突发性团雾的实时监测仪器。
技术介绍
团雾是局部微大气环境出现突变而形成的，是在数十米到上百米的局部范围内 出现的雾。 一般出现在地势低洼、空气湿度大的地区，与局部小气候环境关系密切。在 空气湿度比较大，昼夜温差大的季节，白天水份蒸发到空中，晚上气温下降后，空气中 的水蒸气极易凝结形成团雾。 我国大部分地区地处温带与亚热带地区，气侯温暖湿润，五纵七横贯穿其 中的国家高速公路网目前已实现通车总里程达6.03万公里，高速公路经过的区域地理、 气象特征具有多样性，再加上高速公路铺装路面白天在太阳曝晒下温度很高、昼夜温差 更大，这就导致团雾频频光顾高速公路。团雾的产生具有偶发性、区域性的特点，而现 有的气象监测手段只能预报大范围雾的发生，无法实现针对团雾这种区域性突发小气象 条件的预报与预警，因此，车辆在高速公路上行驶时难以提前得到警示，往往造成驶入 团雾区域内根本来不及减速，当他们以高速行驶到团雾中时，能见度陡然降低，猛 然视线受阻，往往盲目减速造成后车追尾，常常酿成重大交通事故。 目前，我国高速公路上虽然安装了一些能见度监测设备，但其在测量中以相 对较小空间样本的取样，反演区域尺度能见度，难以反映长尺度区域能见度的真实 状况，特别是无法实时监测团雾这种能见度低，势力范围比较小的局部小气候环境特 征，很难推广使用。
技术实现思路
本专利技术是为解决上述现有技术对高速公路团雾实时监测手段的不足，提供一种高速公路团雾实时监测仪，实现全天候、实时自动监测团雾的发生，为高速公路管理部门解决团雾对行车安全的影响提供决策和应急指挥的技术手段。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案 本专利技术高速公路团雾实时监测仪的结构特点是所述监测仪具有 —激光发射/接收模块，是由激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和窄带滤光片构成；所述激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号通过由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号； —探测器及信号采集模块，是由单光子光电探测器、光子计数器、嵌入式工控 机和总线转换器构成；激光发射/接收模块中窄带滤光片的输出光检测信号聚焦在单光子 光电探测器的光敏面上，经光电信号转换获得电检测信号；所述电检测信号在光子计数 器中进行数字计数；计数结果通过USB总线存储到嵌入式工控机中，并在所述嵌入式工控机中进行数据处理，数据处理信号通过总线转换器传递至高速公路光纤网； —激光器驱动及时序控制模块，是由激光器驱动电路和时序控制电路构成；由所述时序控制电路产生激光器工作所需的脉冲序列，并经激光器驱动电路驱动激光器工作；时序控制电路同时产生单光子光电探测器的工作门控信号及光子计数器的采集控制信号，并通过数据线控制单光子光电探测器及光子计数器按时间序列采集信号。 本专利技术高速公路团雾实时监测仪的结构特点也在于 所述激光发射/接收模块中的激光器采用微宝石Nd:YAG激光器，发射波长为532nm ;所述发射光学镜头和接收光学镜头采用分置离轴的结构形式。所述发射光学镜头口径为20mm，接收光学镜头口径为30mm。 所述探测器及信号采集模块中采用基于脉冲甄别的单光子光电探测器和基于数字计数的光子计数器。 所述激光器驱动及时序控制模块中时序控制电路采用CPLD器件。 本专利技术利用激光器发出光束，光束在大气信道中传输，由于大气中分子和微粒对光束的散射和吸收作用，信号接收器接收到的光信号会发生衰减，按时间序列采集激光回波信号，通过逐点反演大气的水平能见度，判别能见度有无突变，并结合光束在传播路径上遇见团雾时因大气中的气溶胶粒子散射效应显著增强，接收光学系统接收信号能量将会突然增强，但随后随着光束进入团雾后总体衰减效应的加大，回波信号将急剧衰减的特点，通过对回波信号的全程波形采集分析共同得出团雾的具体位置。 本专利技术通过对激光测程上回波信号的按时间序列的采集，计算出每个采样点的能见度值，这样便可以根据能见度值的变化规律结合回波信号模拟特征判别测程上有无团雾及团雾的位置信息。 本专利技术中能见度的计算方法如下 根据Koschmieder定律，大气水平能见度定义为当辐射在传输过程中衰减为光源 的2%时对应的传播距离，即n = e—oV (l) 式中n为视觉反应阈值； o为大气消光系数； V为能见度，是人眼将目标从背景中区别出来的最小亮度对比(0.02); 对(1)式求导可得<formula>formula see original document page 4</formula> Koschmieder公式是针对人眼感觉的光波(白光)而言的，作为近似，可以用人眼 最敏感的绿光Q 二0.55ym)的衰减系数来代替白光的衰减系数，对于其他波长应作如下 订正 <formula>formula see original document page 4</formula> 其中，V的单位为km，波长A以iim计。 式(3)中系数q由以下经验公式决定 而变化c0,5§5F]1.31.6『< 6im 6few S『<(4)通过上述公式可以看出能见度V只与大气的消光系数有关，且不随白天或黑夜:的测量反演大气的极大地提高了仪器 本专利技术可测范围达消光系数与激光回波能量成正比关系，通过对激光回波能』 消光系数，从而计算出大气能见度。与现有技术相比，本专利技术有益效果体现在 1、本专利技术监控范围大，可实现对团雾的实时监控 本专利技术采用激光探测方法，探测器及信号采集模块的设置， 的探测灵敏度，为大范围监控、长尺度监测团雾的发生提供了可能。 30m 2000m;通过激光器连续脉冲的发射，监测回波信号，反演计算可实现对团雾的 实时监控，高速嵌入式工控机的应用，使每5分钟内即可输出一组测量信息。 2、本专利技术针对高速公路数据传输要求，嵌入式工控机采用串行数据输出，数据 交换便捷。 3、本专利技术扩展性强，通过在嵌入式工控机中配备多个数据接口，包括USB接 口、串行口，加上其自身运算处理能力强，可扩展控制多个对象，极大地提高了系统的 可拓展性。 4、本专利技术采用模块化设计，结构紧凑，体积小、功耗低，配合设置太阳能供电 系统，适宜在高速公路上全线布点。 5、本专利技术采用激光探测方法，通过配备温控电路、气动吹扫机构，可不受任何 气象条件限制，实现全天候实时监测。附图说明 图1为本专利技术仪器的系统基本组成框图。图2为本专利技术中激光发射/接收模块结构示意图。具体实施例方式参见图l，本专利技术系统组成包括激光学发射/接收模块、探测器及信号采集模 块、激光器驱动及时序控制模块，其中 激光发射/接收模块包括有激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和 窄带滤光片；激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射 的激光回波信号由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光 检测信号。 激光器输出光束经发射光学镜头做光学准直、扩束处理，以改善激光的准直 度，降低发散角，在使发射镜头的激光光斑能量分布更加均匀的同时，仪器可获得理想 的长程测量效果；小孔光阑放置本文档来自技高网...

【技术保护点】
高速公路团雾实时监测仪，其特征是所述监测仪具有：　　一激光发射／接收模块，是由激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和窄带滤光片构成；所述激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号通过由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号；　　一探测器及信号采集模块，是由单光子光电探测器、光子计数器、嵌入式工控机和总线转换器构成；激光发射／接收模块中窄带滤光片的输出光检测信号聚焦在单光子光电探测器的光敏面上，经光电信号转换获得电检测信号；所述电检测信号在光子计数器中进行数字计数；计数结果通过ＵＳＢ总线存储到嵌入式工控机中，并在所述嵌入式工控机中进行数据处理，数据处理信号通过总线转换器传递至高速公路光纤网；　　一激光器驱动及时序控制模块，是由激光器驱动电路和时序控制电路构成；由所述时序控制电路产生激光器工作所需的脉冲序列，并经激光器驱动电路驱动激光器工作；时序控制电路同时产生单光子光电探测器的工作门控信号及光子计数器的采集控制信号，并通过数据线控制单光子光电探测器及光子计数器按时间序列采集信号。

【技术特征摘要】
高速公路团雾实时监测仪，其特征是所述监测仪具有一激光发射/接收模块，是由激光器、发射光学镜头、接收光学镜头、小孔光阑和窄带滤光片构成；所述激光器输出光束经发射光学镜头准直、扩束处理后发出激光；经大气散射的激光回波信号通过由接收光学镜头接收并汇聚，再依次经过小孔光阑和窄带滤光片获得光检测信号；一探测器及信号采集模块，是由单光子光电探测器、光子计数器、嵌入式工控机和总线转换器构成；激光发射/接收模块中窄带滤光片的输出光检测信号聚焦在单光子光电探测器的光敏面上，经光电信号转换获得电检测信号；所述电检测信号在光子计数器中进行数字计数；计数结果通过USB总线存储到嵌入式工控机中，并在所述嵌入式工控机中进行数据处理，数据处理信号通过总线转换器传递至高速公路光纤网；一激光器驱动及时序控制模块，是由激光器驱动电路和时序控制电路构成；由所述时序控制电路产生激光器工作所需的脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：李季，戚俊，王月琴，孙东松，王旗志，
申请(专利权)人：合肥霍金光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：34[]