專利名稱：近紅外激光車載雨霧探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種對(duì)雨霧的探測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
車輛在行駛過程當(dāng)中，遭遇突發(fā)雨、霧等惡劣氣候環(huán)境時(shí)，由于大氣透過率較低， 人眼或其他被動(dòng)成像探測(cè)設(shè)備均無(wú)法發(fā)揮作用，駕駛員不能提前預(yù)知前方雨、霧環(huán)境，導(dǎo)致車禍?zhǔn)录陌l(fā)生機(jī)率大幅上升。激光通過大氣傳輸，在經(jīng)過的區(qū)域內(nèi)由于存在大量大氣懸浮粒子，會(huì)對(duì)激光進(jìn)行散射，接受系統(tǒng)接收大氣的透射或后向散射激光能量，就可以根據(jù)接收能量的強(qiáng)弱反映不同氣候條件下的大氣能見度變化。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為透射式和反射式兩類系統(tǒng)。常用儀器大都采用透射式原理，它檢測(cè)的是光波因大氣微粒的消光衰減的光強(qiáng)。 其優(yōu)點(diǎn)是采樣體積大、在霧滴引起的能見度條件下測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確。但是儀器占地面積大，需要經(jīng)常維護(hù)，發(fā)射與接收裝置距離遠(yuǎn)，發(fā)射端一側(cè)無(wú)法及時(shí)得知探測(cè)結(jié)果，并且不能在移動(dòng)條件下探測(cè)，局限性很大。反射式系統(tǒng)將發(fā)射和接收端組合在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，接收端接收經(jīng)探測(cè)目標(biāo)反射或散射返回的回波信號(hào)，使透射儀器轉(zhuǎn)變成單端收發(fā)方式，該方式也稱為“折疊基線式”或“單端式”。反射式系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)反映探測(cè)結(jié)果，有利于車載應(yīng)用。反射式激光發(fā)射接收系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器構(gòu)成，發(fā)射器包括激光器，接收器包括聚焦透鏡、光電探測(cè)器、信號(hào)放大電路和處理顯示器。如激光氣象雷達(dá)是典型的反射式結(jié)構(gòu)，可以探測(cè)大氣的后向散射信號(hào)，測(cè)量大氣能見度變化。但激光氣象雷達(dá)的激光發(fā)射功率高，接收系統(tǒng)復(fù)雜，制造成本極高；由于系統(tǒng)體積大、重量重，不能應(yīng)用于普通車輛移動(dòng)探測(cè)，只能由特種車輛運(yùn)輸至某一特定地點(diǎn)固定探測(cè)；并且激光氣象雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)近距離的散射回波信號(hào)同時(shí)響應(yīng)，不能濾除近處目標(biāo)的散射干擾，無(wú)法應(yīng)用于復(fù)雜路況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種近紅外激光車載雨霧探測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明解決技術(shù)問題的方案是采用發(fā)射器和接收器構(gòu)成，發(fā)射器包括激光器，接收器包括聚焦透鏡、光電探測(cè)器、信號(hào)放大電路和處理顯示器，激光器為半導(dǎo)體激光器，工作波段為808歷、880歷、940歷或980nm，功率為1W，發(fā)散角1. 5mrad，激光器由頻率調(diào)制器控制，頻率調(diào)制器能夠使激光器的發(fā)射頻率被調(diào)制在50Hz-30kHz之間，在激光器前端裝有擴(kuò)束器，擴(kuò)束器為8-16倍擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)，在聚焦透鏡與光電探測(cè)器之間安裝有視場(chǎng)光闌，視場(chǎng)光闌在聚焦透鏡的焦點(diǎn)處，視場(chǎng)光闌與光電探測(cè)器之間安裝有窄帶濾光片，窄帶濾光片中心波長(zhǎng)與激光器工作波段對(duì)應(yīng)，光電探測(cè)器為硅二極管探測(cè)器，信號(hào)放大電路采用與激光器頻率調(diào)制器相同頻率的調(diào)制放大電路，發(fā)射器和接收器同一方向并排放置，視場(chǎng)光闌限制的光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角為ω，探測(cè)距離和視場(chǎng)角有如下關(guān)系tan (ω/2) =D/L，其中D是
3發(fā)射器和接收器的橫向距離，L是起始探測(cè)距離。為了防止前方車輛的反射光直接進(jìn)入接收系統(tǒng)，將發(fā)射器和接收器的前端向上傾斜一定角度Θ，可得到如下關(guān)系tan(e) =H/S，S是距前車距離，H是前車高度。工作時(shí)，發(fā)射器發(fā)出激光，反射回接收器，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)的目的，要求激光器功率較大、發(fā)散角較小，考慮到車載應(yīng)用環(huán)境，采用體積緊湊、性能穩(wěn)定的半導(dǎo)體激光器， 工作波段980nm，功率為1W，發(fā)散角1. 5mrad。弱光探測(cè)器接收激光的大氣后向散射將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，弱光探測(cè)器接收的光子數(shù)較少，產(chǎn)生的電信號(hào)較弱，需要對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，再輸出到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行閾值標(biāo)定，通過閾值標(biāo)定，反應(yīng)不同氣候狀況對(duì)后向散射回波的影響，來判定前方行駛環(huán)境的惡劣程度。由于車載探測(cè)的特殊應(yīng)用環(huán)境，要求激光光束單位面積能量低于人眼安全閾值， 激光器發(fā)出的光束口徑較小，在激光器后加入8-16倍擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)，增大光束口徑，減小單位面積能量，使其低于人眼安全閾值。弱光探測(cè)器感光面積有限，為了收集更多信號(hào)光能量，在探測(cè)器前放置聚焦光學(xué)系統(tǒng)，將探測(cè)器感光面置于聚焦光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)附近，大大提高了弱光探測(cè)器的探測(cè)能力。弱光探測(cè)器感光波段為500nm llOOnm，太陽(yáng)光譜中這些波長(zhǎng)的光線都能夠被探測(cè)器收集，這些非信號(hào)光會(huì)干擾雨霧探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果。在聚焦光學(xué)系統(tǒng)中加入中心波長(zhǎng) 980nm的窄帶濾光片濾除太陽(yáng)光譜中除980nm外其他波段的干擾，但仍存在太陽(yáng)光譜980nm 波長(zhǎng)光線產(chǎn)生的噪聲。為了區(qū)分信號(hào)光與噪聲光，對(duì)發(fā)射激光進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制頻率20kHz，同時(shí)接收系統(tǒng)放大電路采用調(diào)制放大，調(diào)制頻率與激光器調(diào)制頻率相同，即只對(duì)發(fā)射激光在大氣中的后向散射信號(hào)放大，避免太陽(yáng)光譜干擾。發(fā)射激光打在近處車輛、樹木等物體上產(chǎn)生的散射信號(hào)被接收系統(tǒng)接收會(huì)造成系統(tǒng)的誤警，如何解決這一問題是車載雨霧探測(cè)的難點(diǎn)。本專利采用分立式交角測(cè)量探測(cè)技術(shù)，解決了這一技術(shù)難題，具體實(shí)現(xiàn)方法為發(fā)射端與接收端分別位于車身兩側(cè)；發(fā)射端激光束發(fā)散角為1. 5mrad，根據(jù)擴(kuò)束原理，發(fā)散角與光束擴(kuò)束口徑成反比，經(jīng)10倍擴(kuò)束器擴(kuò)束后，發(fā)散角為0. 15mrad，可以近似為平行光束發(fā)射；接收端光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)較小，發(fā)射激光與光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)交匯區(qū)域距離汽車為50m，由于只有交匯區(qū)域內(nèi)的回波信號(hào)才能用被接收端采集，因此，交匯區(qū)域外到車頭位置的50m范圍內(nèi)的所有虛警信號(hào)回波將被有效屏蔽。同時(shí)這個(gè)系統(tǒng)采用一定仰角的斜程收發(fā)，避免由于近距離目標(biāo)高強(qiáng)度回波所引起的虛警。以此來實(shí)現(xiàn)50m-500m的有效探測(cè)距離。由于該產(chǎn)品對(duì)工作條件要求較低且成本低廉，適用于裝備中高檔轎車及大型運(yùn)輸車輛，可有效降低交通事故發(fā)生機(jī)率，有效保護(hù)國(guó)家及人民財(cái)產(chǎn)安全。本發(fā)明提出了一套車載雨霧探測(cè)系統(tǒng)，采用激光大氣后向散射探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛在行駛中對(duì)突發(fā)雨、霧等惡劣天氣環(huán)境變化的自動(dòng)告警，根據(jù)激光大氣光學(xué)傳輸理論，選取對(duì)其他駕駛者無(wú)干擾、大氣透過率較高的近紅外波段激光器作為主動(dòng)探測(cè)源，并利用性能穩(wěn)定、成本較低的硅光電二極管作為弱光探測(cè)器，對(duì)激光大氣后向散射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，性能安全可靠。


圖1為分立式交角測(cè)量原理圖2為擴(kuò)束器剖視圖；圖3為接收系統(tǒng)剖視圖；圖4為斜程探測(cè)示意圖。
具體實(shí)施例方式例1、本發(fā)明系統(tǒng)由發(fā)射器1和接收器2構(gòu)成，發(fā)射器1包括激光器，接收器2包括光學(xué)系統(tǒng)鏡筒7、聚焦透鏡8、光電探測(cè)器9、信號(hào)放大電路10和處理顯示器11，激光器為半導(dǎo)體激光器，工作波段為808nm，功率為1W，發(fā)散角1. 5mrad，激光器連接有頻率調(diào)制器，頻率調(diào)制器使激光器被調(diào)制為30kHz，在激光器前端的發(fā)射器1上裝有擴(kuò)束器3，擴(kuò)束器3為 10倍擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)，在聚焦透鏡8與光電探測(cè)器9之間安裝有視場(chǎng)光闌5，視場(chǎng)光闌5在聚焦透鏡8的焦點(diǎn)處，視場(chǎng)光闌5與光電探測(cè)器9之間安裝有窄帶濾光片6，窄帶濾光片6中心波長(zhǎng)為808nm，光電探測(cè)器9為硅二極管探測(cè)器，信號(hào)放大電路10有與頻率調(diào)制器對(duì)應(yīng)頻率的解調(diào)器，發(fā)射器1和接收器2同一方向并排放置，發(fā)射器1和接收器2分別安裝在汽車左前大燈和右前大燈內(nèi)，起始探測(cè)距離為50m，視場(chǎng)光闌5限制的光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角為4. 1°， 發(fā)射器1和接收器2的前端向上傾斜角度為5. 7°。例2、本發(fā)明系統(tǒng)由發(fā)射器1和接收器2構(gòu)成，發(fā)射器1包括激光器，接收器2包括光學(xué)系統(tǒng)鏡筒7、聚焦透鏡8、光電探測(cè)器9、信號(hào)放大電路10和處理顯示器11，激光器為半導(dǎo)體激光器，工作波段為980nm，功率為1W，發(fā)散角1. 5mrad，激光器連接有頻率調(diào)制器，頻率調(diào)制器使激光器被調(diào)制為20kHz，在激光器前端的發(fā)射器1上裝有擴(kuò)束器3，擴(kuò)束器3為 16倍擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)，在聚焦透鏡8與光電探測(cè)器9之間安裝有視場(chǎng)光闌5，視場(chǎng)光闌5在聚焦透鏡8的焦點(diǎn)處，視場(chǎng)光闌5與光電探測(cè)器9之間安裝有窄帶濾光片6，窄帶濾光片6中心波長(zhǎng)為980nm，光電探測(cè)器9為硅二極管探測(cè)器，信號(hào)放大電路10有與頻率調(diào)制器對(duì)應(yīng)頻率的解調(diào)器，發(fā)射器1和接收器2同一方向并排放置，發(fā)射器1和接收器2分別安裝在汽車左前側(cè)和右前側(cè)，起始探測(cè)距離為100m，視場(chǎng)光闌5限制的光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角為2. 1°，發(fā)射器1和接收器2的前端向上傾斜角度為5°。例3、本發(fā)明系統(tǒng)由發(fā)射器1和接收器2構(gòu)成，發(fā)射器1包括激光器，接收器2包括光學(xué)系統(tǒng)鏡筒7、聚焦透鏡8、光電探測(cè)器9、信號(hào)放大電路10和處理顯示器11，激光器為半導(dǎo)體激光器，工作波段為880nm，功率為1W，發(fā)散角1. 5mrad，激光器連接有頻率調(diào)制器，頻率調(diào)制器使激光器被調(diào)制為50Hz，在激光器前端的發(fā)射器1上裝有擴(kuò)束器3，擴(kuò)束器3為8 倍擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)，在聚焦透鏡8與光電探測(cè)器9之間安裝有視場(chǎng)光闌5，視場(chǎng)光闌5在聚焦透鏡8的焦點(diǎn)處，視場(chǎng)光闌5與光電探測(cè)器9之間安裝有窄帶濾光片6，窄帶濾光片6中心波長(zhǎng)為880nm，光電探測(cè)器9為硅二極管探測(cè)器，信號(hào)放大電路10有與頻率調(diào)制器對(duì)應(yīng)頻率的解調(diào)器，發(fā)射器1和接收器2同一方向并排放置，發(fā)射器1和接收器2分別安裝在汽車左前大燈和右前大燈內(nèi)，起始探測(cè)距離為150m，視場(chǎng)光闌5限制的光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角為1. 4°， 發(fā)射器1和接收器2的前端向上傾斜角度為5. 7°。
權(quán)利要求
1.一種近紅外激光車載雨霧探測(cè)系統(tǒng)，由發(fā)射器和接收器構(gòu)成，發(fā)射器包括激光器，接收器包括聚焦透鏡、光電探測(cè)器、信號(hào)放大電路和處理顯示器，其特征在于激光器為半導(dǎo)體激光器，工作波段為808歷、880歷、940歷或980nm，功率為1W，發(fā)散角1.5mrad，激光器由頻率調(diào)制器控制，頻率調(diào)制器使激光器的發(fā)射頻率被調(diào)制在50Hz-30kHz之間，在激光器前端裝有擴(kuò)束器，擴(kuò)束器為8-16倍擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)，在聚焦透鏡與光電探測(cè)器之間安裝有視場(chǎng)光闌，視場(chǎng)光闌在聚焦透鏡的焦點(diǎn)處，視場(chǎng)光闌與光電探測(cè)器之間安裝有窄帶濾光片，窄帶濾光片中心波長(zhǎng)與激光器工作波段對(duì)應(yīng)，光電探測(cè)器為硅二極管探測(cè)器，信號(hào)放大電路采用與激光器頻率調(diào)制器相同頻率的調(diào)制放大電路，發(fā)射器和接收器同一方向并排放置，視場(chǎng)光闌限制的光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角為ω，探測(cè)距離和視場(chǎng)角有如下關(guān)系tan (ω/2) =D/L，其中D是發(fā)射器和接收器的橫向距離，L是起始探測(cè)距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外激光車載雨霧探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于激光器工作波段為980nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外激光車載雨霧探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于頻率調(diào)制器使激光器的發(fā)射頻率被調(diào)制為20kHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外激光車載雨霧探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于擴(kuò)束器為10倍擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外激光車載雨霧探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于發(fā)射器和接收器的前端向上傾斜一定角度Θ，其中tan(e) =H/S，S是距前車距離，H是前車高度。
全文摘要
一種近紅外激光車載雨霧探測(cè)系統(tǒng)，屬于監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，采用發(fā)射器和接收器構(gòu)成，發(fā)射器包括激光器，接收器包括聚焦透鏡、光電探測(cè)器、信號(hào)放大電路和處理顯示器，在激光器前端裝有擴(kuò)束器，在聚焦透鏡與光電探測(cè)器之間安裝有視場(chǎng)光闌，視場(chǎng)光闌與光電探測(cè)器之間安裝有窄帶濾光片，窄帶濾光片中心波長(zhǎng)與激光器工作波段對(duì)應(yīng)。本發(fā)明采用激光大氣后向散射探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛在行駛中對(duì)突發(fā)雨、霧等惡劣天氣環(huán)境變化的自動(dòng)告警。
文檔編號(hào)G01N21/53GK102435585SQ20111035389
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者謝天鴿 申請(qǐng)人:謝天鴿