本發(fā)明屬于天窗控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種激光雷達(dá)智能天窗控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)上一般都安裝有天窗，其天窗分為固定天窗和自動(dòng)天窗，固定天窗又分為全封閉式手動(dòng)固定天窗和玻璃天窗，全封閉式手動(dòng)固定天窗需要人為的去開啟和關(guān)閉。玻璃固定天窗雖不需要人為開啟，但是由于灰塵的影響，使的紫外和紅外的透過率明顯降低。自動(dòng)天窗雖然實(shí)現(xiàn)了電氣化自動(dòng)控制，省去了人力，但是它僅僅適合實(shí)驗(yàn)室工作模式，需要人工控制開關(guān)，不適合野外自動(dòng)觀測(cè)。

綜上所述，現(xiàn)有天窗都不能滿足激光雷達(dá)野外無人值守觀測(cè)的需求。因此，如何解決上述技術(shù)問題成為了該領(lǐng)域技術(shù)人員努力的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是提供一種激光雷達(dá)智能天窗控制系統(tǒng)及方法，其解決了現(xiàn)有技術(shù)不能滿足激光雷達(dá)野外無人值守觀測(cè)的問題，能根據(jù)天氣狀況和激光雷達(dá)工作模式自動(dòng)開啟和關(guān)閉天窗，在確保激光雷達(dá)測(cè)量性能不損失的情況下，提高激光雷達(dá)測(cè)量的連續(xù)性。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種激光雷達(dá)智能天窗控制系統(tǒng)，包括激光雷達(dá)、信號(hào)接收模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、控制模塊、通訊模塊和濕度傳感器，所述信號(hào)接收模塊與激光雷達(dá)、濕度傳感器和數(shù)據(jù)分析模塊連接，數(shù)據(jù)分析模塊與控制模塊和通訊模塊連接；

所述信號(hào)接收模塊，用于接收激光雷達(dá)和濕度傳感器傳遞而來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)分析模塊；

所述數(shù)據(jù)分析模塊，用于分析接收到的數(shù)據(jù)，并將分析結(jié)果傳輸給控制模塊和通訊模塊；

所述控制模塊，用于傳遞控制信號(hào)給天窗；

所述通訊模塊，用于傳遞分析結(jié)果給移動(dòng)用戶端。

作為優(yōu)選，還包括2個(gè)雨水傳感器，雨水傳感器與控制模塊連接。

作為優(yōu)選，還包括安裝在天窗上的行程限位開關(guān)，行程限位開關(guān)與信號(hào)接收模塊連接。

作為優(yōu)選，所述信號(hào)接收模塊還通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取天氣氣象數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)選，還包括報(bào)警裝置，報(bào)警裝置與控制模塊連接。

一種激光雷達(dá)智能天窗控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，信號(hào)接收模塊采集數(shù)據(jù)參數(shù)，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析模塊，所述數(shù)據(jù)參數(shù)至少包含激光雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)和空氣濕度數(shù)據(jù)；

步驟2，數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果傳輸給控制模塊和通訊模塊；

步驟3，控制模塊根據(jù)分析結(jié)果向天窗發(fā)送控制信號(hào)，通訊模塊將分析結(jié)果傳遞給移動(dòng)用戶端。

作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)參數(shù)還包括行程限位數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)天氣氣象數(shù)據(jù)。

作為優(yōu)選，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制模塊向報(bào)警裝置發(fā)送報(bào)警信號(hào)，報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。

作為優(yōu)選，控制模塊還接收雨水傳感器傳遞的雨水感應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)控制模塊接收到雨水感應(yīng)信號(hào)時(shí)，控制天窗關(guān)閉。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，能根據(jù)天氣狀況和激光雷達(dá)工作模式自動(dòng)開啟和關(guān)閉天窗，在確保激光雷達(dá)測(cè)量性能不損失的情況下，提高激光雷達(dá)測(cè)量的連續(xù)性，適合激光雷達(dá)長(zhǎng)期無人值守監(jiān)測(cè)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的原理框圖；

圖2是本發(fā)明的原理流程圖；

圖3是激光雷達(dá)晴天回波信號(hào)的時(shí)間演變圖；

圖4是圖3中取12:00時(shí)刻做的梯度圖；

圖5是激光雷達(dá)雨天回波信號(hào)的時(shí)間演變圖；

圖6是圖5中取10:00時(shí)刻做的梯度圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1和圖2所示，一種激光雷達(dá)智能天窗控制系統(tǒng)，包括激光雷達(dá)、信號(hào)接收模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、控制模塊、通訊模塊和濕度傳感器，所述信號(hào)接收模塊與激光雷達(dá)、濕度傳感器和數(shù)據(jù)分析模塊連接，數(shù)據(jù)分析模塊與控制模塊和通訊模塊連接。所述信號(hào)接收模塊，用于接收激光雷達(dá)和濕度傳感器傳遞而來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)分析模塊。所述數(shù)據(jù)分析模塊，用于分析接收到的數(shù)據(jù)，并將分析結(jié)果傳輸給控制模塊和通訊模塊。所述控制模塊，用于傳遞控制信號(hào)給天窗。所述通訊模塊，用于傳遞分析結(jié)果給移動(dòng)用戶端。所述用戶端可以是手機(jī)或平板電腦。

為了保證數(shù)據(jù)分析模塊分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，還包括2個(gè)雨水傳感器，雨水傳感器與控制模塊連接。

該系統(tǒng)還包括報(bào)警裝置，報(bào)警裝置與控制模塊連接。在激光雷達(dá)的天窗上安裝有行程限位開關(guān)，行程限位開關(guān)與信號(hào)接收模塊連接。當(dāng)天窗開關(guān)不到位時(shí)，控制模塊會(huì)向報(bào)警裝置發(fā)送報(bào)警信號(hào)，報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)通訊模塊向移動(dòng)用戶端發(fā)送信號(hào)給工作人員發(fā)出報(bào)警。

所述信號(hào)接收模塊還通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取天氣氣象數(shù)據(jù)。

所述數(shù)據(jù)分析模塊內(nèi)預(yù)設(shè)有當(dāng)?shù)卦茖痈叨汝I值和空氣濕度闕值。激光雷達(dá)運(yùn)行時(shí)，每一發(fā)脈沖的回波信號(hào)都會(huì)被采集傳輸給信號(hào)接收模塊，數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)回波信號(hào)采用梯度法測(cè)量是否有云，如沒有云，則通過行程限位開關(guān)傳遞而來的行程限位數(shù)據(jù)檢測(cè)天窗是否開啟，如天窗開啟，則保持天窗開啟狀態(tài)不變，否則打開天窗。當(dāng)數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)回波信號(hào)采用梯度法測(cè)量有云存在，則計(jì)算云層高度，并判斷云層高度是否大于闕值，若云層高度大于闕值，則通過控制模塊控制天窗開啟，若云層高度小于闕值，則通過濕度傳感器獲得的空氣濕度數(shù)據(jù)，判斷空氣濕度是否大于闕值，若大于闕值，則通過控制模塊控制天窗關(guān)閉，若小于闕值，則檢測(cè)天窗開啟狀態(tài)，開啟天窗。在天窗關(guān)閉狀態(tài)下，由于激光雷達(dá)的激光出射和接收都可以透過玻璃，因此在雨水天氣也可以繼續(xù)測(cè)量，一直到降水完畢后，由回波信號(hào)和濕度共同確定降水結(jié)束，此時(shí)重新打開天窗。

在控制天窗開啟或關(guān)閉的時(shí)候，數(shù)據(jù)分析模塊通過行程限位開關(guān)傳遞給信號(hào)接收模塊的信號(hào)判斷天窗是否開啟到位或關(guān)閉到位。如天窗開啟或關(guān)閉不到位，則由控制模塊發(fā)送報(bào)警信號(hào)給報(bào)警裝置，報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)通訊模塊向移動(dòng)用戶端發(fā)送信號(hào)(短信或電話)給工作人員發(fā)出報(bào)警，通知工作人員進(jìn)行及時(shí)處理。

當(dāng)數(shù)據(jù)分析模塊出現(xiàn)故障，已經(jīng)落雨卻沒有控制天窗關(guān)閉，雨水傳感器檢測(cè)到落雨，并傳遞信號(hào)給控制模塊，控制模塊直接控制天窗關(guān)閉。

該系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取天氣氣象數(shù)據(jù)，通過天氣預(yù)報(bào)來輔助判斷是否下雨。加入了兩個(gè)雨水傳感器，當(dāng)其中有一個(gè)雨水傳感器發(fā)生故障時(shí)，有另一個(gè)可以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。在本發(fā)明中，同時(shí)加入了報(bào)警裝置，防止意外情況發(fā)生，例如天窗開關(guān)不到位，激光雷達(dá)不能正常運(yùn)行都會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，從而使得警報(bào)聲響起，無線設(shè)備會(huì)給相關(guān)工作人員發(fā)送短信或電話使得工作人員處理意外情況。所述激光雷達(dá)的天窗采用輪滑式結(jié)構(gòu)，工作人員可以非常容易的將天窗復(fù)位，操作性強(qiáng)，天窗方便人為的開啟和關(guān)閉，體現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的可維護(hù)性。

由于激光雷達(dá)的高精度性，在烏云聚集并下雨之前，激光雷達(dá)都會(huì)提前檢測(cè)到，從而關(guān)閉天窗，這比單單只用雨水傳感器來做保險(xiǎn)裝置安全的多，但不同地方下雨的時(shí)候，降雨云層高度和空氣濕度不一樣，因此要根據(jù)不同的地區(qū)選擇不同的降雨云層高度閾值和空氣濕度閾值。

數(shù)據(jù)分析模塊判斷是否云和計(jì)算云層高度的方法具體如下：

激光雷達(dá)接收到的米散射回波信號(hào)可以用式子(1)所示激光雷達(dá)方程表示:

式中：p(r)表示激光雷達(dá)接收的高度r處氣溶膠粒子和空氣分子的后向散射回波功率(w)；r表示高度(km)；r′表示0到r之間的變量(km)；p0表示激光雷達(dá)發(fā)射功率(w)；c表示激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)(w·km³·sr)；βm(r)和βa(r)分別表示高度r處大氣分子和氣溶膠粒子的后向散射系數(shù)(km^-1·sr^-1)；am(r′)和aa(r′)分別是高度r′處大氣分子和氣溶膠粒子的消光系數(shù)(km^-1)。

激光雷達(dá)距離平方校正回波信號(hào)rscs(rangesquaredcorrectedsignal):

式中：p(r)表示激光雷達(dá)接收的高度r處氣溶膠粒子和空氣分子的后向散射回波功率(w)；r表示高度(km)；r′表示0到r之間的變量(km)；p0表示激光雷達(dá)發(fā)射功率(w)；c表示激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)(w·km³·sr)；βm(r)和βa(r)分別表示高度r處大氣分子和氣溶膠粒子的后向散射系數(shù)(km^-1·sr^-1)；am(r′)和aa(r′)分別是高度r′處大氣分子和氣溶膠粒子的消光系數(shù)(km^-1)。

激光雷達(dá)回波信號(hào)在一定程度上反映了大氣氣溶膠濃度隨高度變化的情況，而云層高度可以用rscs的梯度dev(r)來求出，dev(r)定義為:

dev(r)＝d[p(r)·r²]/dr(3)

式中：p(r)表示激光雷達(dá)接收的高度r處氣溶膠粒子和空氣分子的后向散射回波功率(w)；r表示高度(km)。

如圖3所示，為激光雷達(dá)晴天回波信號(hào)的時(shí)間演變圖。圖中顯示的是2014年11月2日激光雷達(dá)距離平方校正回波信號(hào)隨時(shí)間的演變圖，該天為晴天，無云天氣。任意取某一時(shí)刻值(例如中午12：00)，做梯度圖，如圖4所示。

圖4中梯度曲線的最小值所在的高度h＝2.52km,即為無云天氣下的氣溶膠層的高度。對(duì)于邊界層來說，邊界層以內(nèi)的氣溶膠濃度分布比較均勻，不會(huì)出現(xiàn)太大的變化。

當(dāng)激光穿透云層的時(shí)候，由于云層的回波信號(hào)非常強(qiáng)烈，激光雷達(dá)回波信號(hào)經(jīng)歷無云—有云—無云的三個(gè)狀態(tài)，反應(yīng)到云的梯度法回波信號(hào)上，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)正弦或余弦的曲線(如圖6所示)，即最小負(fù)值附近總對(duì)應(yīng)著一個(gè)最大正值，二者的絕對(duì)值相近。

如圖5所示，為激光雷達(dá)雨天回波信號(hào)的時(shí)間演變圖。圖中顯示的是2014年11月23日有雨的一天，該天從十點(diǎn)左右開始下雨，從圖中可以明顯的看出此時(shí)有云出現(xiàn)，從圖6中可以看出在高度2km左右出現(xiàn)類似正余弦的曲線形狀，從而可以判斷該處有云，且云層高度約為2km。

一種激光雷達(dá)智能天窗控制方法，包括以下步驟：

步驟1，信號(hào)接收模塊采集數(shù)據(jù)參數(shù)，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析模塊，所述數(shù)據(jù)參數(shù)包含激光雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)、通過網(wǎng)絡(luò)獲得的實(shí)時(shí)天氣氣象數(shù)據(jù)、濕度傳感器傳遞而來的空氣濕度數(shù)據(jù)、行程限位開關(guān)傳遞而來的行程限位數(shù)據(jù)；

步驟2，數(shù)據(jù)分析模塊利用激光雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采用梯度法測(cè)量是否有云，若無云，則通過行程限位數(shù)據(jù)判斷天窗是否開啟，如天窗開啟，則傳遞信號(hào)給控制模塊保持天窗開啟狀態(tài)不變，否則傳遞開啟天窗信號(hào)給控制模塊打開天窗，若有云，則計(jì)算云層高度，并判斷云層高度是否大于闕值，若云層高度大于闕值，則檢測(cè)天窗開啟狀態(tài)，通過控制模塊控制天窗開啟，若云層高度小于闕值，則通過空氣濕度數(shù)據(jù)判斷空氣濕度是否大于闕值，若大于闕值，則檢測(cè)天窗開啟狀態(tài)，通過控制模塊控制天窗關(guān)閉，若小于闕值，則檢測(cè)天窗開啟狀態(tài)，開啟天窗；

步驟3，控制模塊和通訊模塊接收數(shù)據(jù)分析模塊傳遞而來的分析結(jié)果，控制模塊向天窗發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，通訊模塊將分析結(jié)果傳遞給移動(dòng)用戶端。

當(dāng)天窗開啟或關(guān)閉不到位時(shí)，行程限位開關(guān)傳遞行程限位數(shù)據(jù)給信號(hào)接收模塊，數(shù)據(jù)分析模塊向控制模塊和通訊模塊傳遞信號(hào)，控制模塊向報(bào)警裝置發(fā)送報(bào)警信號(hào)，報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)，通訊模塊向移動(dòng)用戶端發(fā)送信號(hào)(短信或電話)給工作人員發(fā)出報(bào)警，通知工作人員進(jìn)行及時(shí)處理。

控制模塊還接收雨水傳感器傳遞的雨水感應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)控制模塊接收到雨水感應(yīng)信號(hào)時(shí)，控制天窗關(guān)閉。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。