石 榮，李昌熹，2

（1．重慶理工大學(xué) 兩江國際學(xué)院，重慶 400054；2．韓國科學(xué)技術(shù)院 電子工程學(xué)院，韓國 大田 34141）

能見度是反映氣體透明度的指標(biāo)，在霧中駕駛時，能見度隨著霧的密度增加呈指數(shù)級下降，從而給司機的駕駛帶來諸多不便和不安全因素，甚至導(dǎo)致重、特大交通事故的發(fā)生，因此實時、準(zhǔn)確地探測霧的能見度顯得尤為重要。米散射激光雷達(dá)因為其激光雷達(dá)具備高測量精度、精細(xì)的時間和空間分辨率以及長距離探測，被廣泛地用于能見度的探測［1］。

1963年，Smullim和Fiocco［2］使用波長為694 nm，脈寬50 ns，能量為500 mJ的脈沖激光器為激光源，首次實現(xiàn)了對14～25 km高度范圍內(nèi)氣溶膠回波信號的探測。1992年，Whiteman［3］使用0 3 nm窄帶濾波片作為分光元件設(shè)計了拉曼－米散射激光雷達(dá)，能夠同時探測大氣水汽和氣溶膠的分布。1992年，Ansman［4］利用單脈沖能量為270 mJ的激光器，400 mm口徑的望遠(yuǎn)鏡搭建了激光雷達(dá)并給出了2～10 km內(nèi)的消光系數(shù)分布圖。2001年，Hair［5］利用碘蒸氣濾光器高光譜分辨率雷達(dá)實現(xiàn)了大氣狀態(tài)和氣溶膠分布的測量，給出了15 km高度內(nèi)的后向散射比和8 km高度內(nèi)的消光系數(shù)。2005年，謝晨波［6］自主設(shè)計搭建了國內(nèi)首臺車載式拉曼－米（Raman Mie）散射激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，并利用斜率法從激光雷達(dá)的采集數(shù)據(jù)中反演出大氣水平能見度。2009年，岳斌［7］提出了利用905 nm半導(dǎo)體激光雷達(dá)探測大氣斜程及水平能見度的方法，解決了針對霧天或多云天氣等不均勻大氣中斜程能見度難以測量的問題，其能見度探測范圍為50～2 000 m。2014年，呂立慧［8］使用收發(fā)一體Y型光纖束為微脈沖激光雷達(dá)（MPL）系統(tǒng)的后繼光學(xué)單元，利用分段斜率法反演氣溶膠水平消光系數(shù)，獲得了大氣能見度及變化特征。2017年，孫國棟［9］研制了一套可以全天候測量的成像激光雷達(dá)并克服了傳統(tǒng)的后向散射激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和需要幾何因子矯正的問題。2019年，喬啟發(fā)等［10］設(shè)計了以電荷耦合器件（CCD）為探測器件的大氣水平能見度測量系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)采用局部加權(quán)回歸算法進行了研究。其測量結(jié)果與商用NQ－1能見度儀進行了同步對比測量，系統(tǒng)測量的誤差值從3 km減小到0 8 km左右。傳統(tǒng)的激光雷達(dá)主要用于大氣氣溶膠消光系數(shù)的探測，往往需要超大功率的激光器和大口徑接收望遠(yuǎn)鏡且系統(tǒng)的集成度很低，從而導(dǎo)致激光雷達(dá)系統(tǒng)通常成本昂貴、操作復(fù)雜，體積龐大而難以移動［11－15］。

本文中研制了用于探測霧消光系數(shù)及其能見度的激光雷達(dá)系統(tǒng)，通過激光器模塊和雪崩探測器模塊的使用極大地降低系統(tǒng)的質(zhì)量和操作難度，利用準(zhǔn)直鏡和平凸透鏡組合分別代替發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和大口徑接收望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)了激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的小型化和緊湊化，1 550 nm波長激光的選擇以及低功率確保了對人眼的安全。通過對霧的探測結(jié)果證明了小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)的可行性。

1 激光雷達(dá)探測能見度計算原理與數(shù)據(jù)處理方法

假定激光束傳輸路徑上霧滴粒子均勻分布，且以陽光或均勻的天空照明下為前提，根據(jù)Koschmieder定律［16］：

式中：ε為視覺感應(yīng)閾值，即人眼將目標(biāo)物從背景中區(qū)別出來的最小亮度對比；V為能見度；σ為霧滴粒子的消光系數(shù)。根據(jù)國際航空組織規(guī)定，氣象能見度視覺反應(yīng)閾值取ε＝0．02，其相當(dāng)于人眼能看到黑色目標(biāo)物最遠(yuǎn)的距離，從而得到水平能見度方程［10］：

不難得出測量能見度的核心問題是如何準(zhǔn)確探測霧的消光系數(shù)。目前計算消光系數(shù)主要的方法有Collis斜率法［17］、Klett反演法［18］和Ferland反演法［19］。在短距離范圍內(nèi)霧可視為均勻分布，從而可用Collis斜率法求解消光系數(shù)，其計算過程如下：

對于米散射激光雷達(dá)接收到距離R處的大氣散射回波信號能量為［8］：

式中：P（R）為激光雷達(dá)接收望遠(yuǎn)鏡接收到的距R處的霧的回波功率；P0是發(fā)射的激光脈沖功率（W）；C為系統(tǒng)常數(shù)（W·m3·sr）；β為距離R處的霧滴粒子后向散射系數(shù)（m－1·sr－1）；σ為霧滴粒子的消光系數(shù)（m－1）。其中距離

式中：t為激光飛行時間（ns）；c為光速（3×108m／s），將式（4）代入式（3）兩邊取對數(shù)并對時間t求導(dǎo)可得：

式中：S（t）為時間平方矯正函數(shù)，在短時間內(nèi)β和σ可視為常數(shù)，從而可得霧消光系數(shù)：

2 小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)

本文中設(shè)計的小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)為平行雙軸模式，其主要由激光發(fā)射系統(tǒng)，激光接收系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)3個部分組成。激光發(fā)射系統(tǒng)由二極管固體激光器模塊和準(zhǔn)直鏡構(gòu)成，激光器波長為1 550 nm，脈寬1～100 ns可調(diào)，重頻1～1 000 kHz可調(diào)，最高峰值功率為40 W，激光經(jīng)過準(zhǔn)直鏡后其光斑大小為3 6 mm，發(fā)散角為0．56 mrad；激光接收系統(tǒng)為透鏡組和窄帶濾波片組合而成。激光通過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后水平射入霧中，在傳輸過程中與大氣中的霧滴粒子發(fā)生米散射和吸收作用機制，產(chǎn)生后向散射回波信號；回波信號被主接收鏡接收，而后回波信號經(jīng)過物鏡轉(zhuǎn)換組聚焦至空間雪崩光電探測器的光敏面，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，窄帶濾波片將濾除出工作波長以外的雜散光，從而提高系統(tǒng)的信噪比，電信號被示波器采集并保存，而后通過一系列數(shù)據(jù)處理方法完成霧消光系數(shù)及其能見度的測量。

圖1 小型米散射雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

本文激光雷達(dá)系統(tǒng)通過使用直徑50．8 m的主接收鏡與直徑25．4 mm物鏡轉(zhuǎn)換組合構(gòu)成了激光接收系統(tǒng)，代替了傳統(tǒng)的大口徑望遠(yuǎn)鏡，使得接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，同時降低了因光軸調(diào)節(jié)不善帶來的誤差。與11 mm的準(zhǔn)直鏡組成的接收發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)了激光雷達(dá)系統(tǒng)的小型化，緊湊化。1 550 nm波長激光的選擇實現(xiàn)了人眼的安全保護，相對于傳統(tǒng)的大氣測量激光雷達(dá)系統(tǒng)幾百瓦的高發(fā)射功率，本系統(tǒng)的峰值功率為40 W，從而有效地降低了系統(tǒng)的成本。

表1 小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)

3 幾何重疊因子計算

在雙軸模式下，激光發(fā)射單元和信號接收單元的光軸如圖2所示。激光束的發(fā)射視場與接收視場之間由完全分離逐漸過渡到完全重合，這樣的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得接收望遠(yuǎn)鏡在近場范圍內(nèi)只能接收部分回波信號，如果用此部分的回波信號進行能見度的反演則將導(dǎo)致反演結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，因此在對回波信號進行反演處理之前，必須進行系統(tǒng)幾何重疊因子Y（R）進行計算，從而得到有效的回波信號。

圖2 發(fā)射端與接收端光路示意圖

由圖2可見：在分離區(qū)接收端接收不到任何的回波信號，此時Y（R）；在過渡區(qū)部分回波信號逐漸進入接收端的視場范圍內(nèi)，此時0＜Y（R）＜1并且Y（R）逐漸增大；而在重合區(qū)回波信號完全進入接收端的視場中，從而Y（R）＝1。因此，需要計算激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射區(qū)和接收區(qū)起始匯合點S1和完全重合點即S2。起始匯合點S1和完全重合點S2可通過式（6）和式（7）計算［14］：

式中：dTL為發(fā)射端光軸與接收端光軸的距離；dT為接收望遠(yuǎn)鏡的直徑；dL為發(fā)射端的光斑直徑；φ為發(fā)射端和接收端之間的傾斜角；δT為接收端的視場角；δL為激光的發(fā)散角。將雷達(dá)系統(tǒng)具體參數(shù)代入式（7）、（8）中，計算得到本系統(tǒng)的起始匯合點S1和完全重合點S2分別為6．4 m和9．6 m。

幾何重疊因子Y（R）隨著距離的變化趨勢可以通過另一理論計算公式分析得出，在過渡區(qū)域發(fā)射端光斑和接收端接收區(qū)域的重合面積為［19］：

其中 1和 2分別為［19］：

式中：d為距離R處接收光斑光軸和發(fā)射光斑光軸距離；dLR在距離R處光斑直徑；dTR為距離R處接收端的接收光斑直徑，從而計算得幾何重疊因子可表示為［20］：

代入本文激光雷達(dá)系統(tǒng)的具體參數(shù)，得到具體計算結(jié)果如圖3所示。

該理論計算方法不能得出具體的起始匯合點S1和完全重合點S2的值，但是不難從圖3中得出：在6．48 m以前，幾何重疊因子為0，而后逐漸增大，直到9．5 m之后幾何重疊因子為1，2種方法計算得到起始匯合點S1和完全重合點S2的值基本相符。因此，本系統(tǒng)在實驗過程霧到激光雷達(dá)系統(tǒng)的距離必須大于9．6 m，從而保證反演結(jié)果的有效性。

圖3 幾何重疊因子隨距離變化計算結(jié)果

4 實驗結(jié)果分析

由于受環(huán)境條件的限制，實驗在室內(nèi)進行，實驗方案如圖4所示，小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的激光和墻面成一定角度入射到霧團上。一部分激光通過霧團后將傾斜入射到墻面，分別安裝在相互垂直的墻面上的兩面平面鏡，將這部分激光通過兩次反射后射向另一個方向，從而消除了墻面回波信號對霧回波信號的影響；另一部分激光被霧團反射后被激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)接收。激光雷達(dá)系統(tǒng)與霧團的距離為10．5 m，大于幾何重疊因子的完全重合點，保證了霧回波信號的有效性。

圖4 實驗方案示意圖

如圖4所示，實驗用霧為人工造霧，通過霧發(fā)生器向指定點噴射霧團，再測量霧消光系數(shù)的變化，因此霧的濃度變化趨勢為由強變?nèi)醯倪^程。圖5為示波器實時存儲的小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)對霧進行一次探測得到的原始信號圖。其中，曲線1為系統(tǒng)的基準(zhǔn)信號，曲線2為霧的回波信號，其回波強度電壓值為65．76 mV，脈寬13 86 ns。

圖5 原始信號圖

利用示波器波形存儲功能可將霧回波信號以excel格式保存提取，通過USB線將excel數(shù)據(jù)提取到計算機，通過Matlab軟件讀取數(shù)據(jù)并對霧回波信號進行重建，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 回波信號重建圖

將重建回波信號結(jié)合式（5）和式（6）進行時間平方矯正得到矯正信號曲線圖，如圖7所示。基于Coliis斜率法對時間平方矯正曲線S（t）和飛行時間t采用最小二乘法做S（t）＝at＋b形式的線性擬合，可得：a＝－6．433 7×106，b＝－44 524 1。即圖7曲線擬合得到的曲線斜率為－6．433 7×106，將曲線斜率除以光速c得到消光系數(shù)值0．021 4 m－1，最后結(jié)合式（2）計算得到霧的能見度值182．38m。

表2為不同時刻測量得到霧的消光系數(shù)和能見度值，隨著時間的增加，曲線的斜率值逐漸增大，所得的消光系數(shù)值減少，霧的能見度值增大。

圖7 時間平方矯正信號圖

表2 霧消光系數(shù)及能見度值

根據(jù)表2繪制的霧消光系數(shù)和能見度隨時間變化趨勢如圖8所示。

圖8 霧消光系數(shù)和能見度隨時間變化趨勢

可以看出：隨著時間的增加，霧的濃度逐漸降低，其消光系數(shù)值也隨之變小，而霧的能見度逐步上升。這與實際情況相符合，說明該小型米散射激光雷達(dá)設(shè)計是可行的、合理的。

5 結(jié)論

設(shè)計了探測霧中能見度的小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)，利用準(zhǔn)直鏡代替了傳統(tǒng)的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，使用3個透鏡組合作為激光接收系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和緊湊化，激光器模塊和雪崩探測器模塊的使用降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。給出了系統(tǒng)中激光發(fā)射系統(tǒng)和激光接收系統(tǒng)的主要參數(shù)，計算了雷達(dá)系統(tǒng)的幾何重疊因子，采用Collis斜率法確定霧的消光系數(shù)以及能見度，得出霧的能見度隨時間變化曲線，實驗結(jié)果證明了小型米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)的有效性和合理性。