[发明专利]一种半导体激光雷达能见度仪

权利要求书

1、一种半导体激光雷达能见度仪，包括有激光发射系统、接收光学系统、信号采集和控制系统，其特征在于：所述激光发射系统包括有半导体激光器、耦合透镜、第一耦合光纤、发射望远镜和具有透射反射功能的平面镜，所述半导体激光器的出射口设置有耦合透镜，所述耦合透镜的焦点处设置有第一耦合光纤，所述第一耦合光纤的出光口设置于激光发射望远镜的焦点处，所述发射望远镜的前端设有一个具有透射反射功能的平面镜，从具有透射反射功能的平面镜反射的部分激光被设置于发射望远镜焦点处的光电二极管接收，所述光电二极管将接收到的信号输入到门控，门控输出触发信号至计算机和采集卡；所述接收光学系统包括有接收望远镜、第二耦合光纤、光电探测器、信号放大器，所述接收望远镜前端设有滤光片，焦点处设置有第二耦合光纤，激光经散射回来经接收望远镜接收后，由第二耦合光纤从接收望远镜的焦点处将激光传送到光电探测器，所述光电探测器的信号输入放大器放大后再接入计算机；所述信号采集控制系统包括有AD采集卡、计算机及门控系统，所述AD采集卡与计算机采用堆叠式连接，由接收望远镜接收到的激光信号经光电探测器检测和放大器放大后，由AD采集卡进行采样、AD转换，再送入计算机进行数据分析等处理，所述计算机通过输出电压控制信号到激光器控制激光器发射激光的脉宽和能量，所述AD采集卡和计算机均由门控系统触发。

2、半导体激光雷达能见度探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、设置一个发射望远镜，将半导体激光器的出射激光经过耦合透镜后，由光纤输送到发射望远镜发射光束，发射光束方向可水平或斜向任意调节，连续发射；部分发射光经反射由光电二极管接收，光电二极管接收后输出信号给门控系统作为控制触发信号；

(2)、通过接收望远镜接收大气后向散射信号，将采集到的后向散射信号进行累计叠加取平均，扣除背景噪声即可得到所需的激光后向散射信号；

(3)、根据Fernald消光系数反演理论，采用一种稳定的消光系数迭代方法对步骤(2)中获得的后向散射信号进行迭代处理，得到激光传输路径上各点大气消光系数，将各点消光系数平均后得到的大气平均消光系数代入能见度公式即可得到能见度值：

大气气溶胶消光系数可以由以下公式求得：

σa(R)=X(R)exp[-2(Sa-Sm)∫RRmβm(r)dr]X(Rm)σa(Rm)+Sa/Smσm(Rm)+2∫RRmX(R)exp[-2(Sa-Sm)∫RRmβm(r′)dr′]-SaSmσm(R)]]>

其中，X(R)为距离修正信号，由公式X(R)＝P(R)R²/Y(R)求得，其中P(R)为激光雷达接收到的信号功率，Y(R)为激光雷达系统的几何重叠因子，R为探测距离，S_a、Sm分别为大气气溶胶的消光-后向散射比和大气分子的消光-后向散射比，β_a(R)与β_m(R)分别是大气气溶胶和大气分子的后向散射系数，均为常数，为σ_a(Rm)代表测量距离(含有噪声)末端的气溶胶消光系数估计值，Rm为最大探测距离；

大气分子消光系数可以由以下公式求得：

βm(z,λ)=1.54×10-3exp(-z7)(532λ)4σm(z,λ)=βm(z,λ)83π]]>

其中，λ为激光波长；

分别求得大气气溶胶和大气分子的消光系数后，可以知道总的消光系数：

σ＝σ_a+σ_m

将总的消光系数代入公式σ(λ)=3.91V(550λ)0.585V13]]>(λ为激光波长)，就可以得到能见度值，由于这里的消光系数为激光传输路径上各点消光系数平均值，所以得到的能见度值也为整层路径平均能见度值；

(4)、系统设定固定时间间隔重复步骤(1)、(2)、(3)，就可以进行连续自动测量，得到被测量地区不同时间段内的能见度。

(5)、如果需要测量不同角度方向的能见度，只需在系统参数中更改所需角度方向的信息，就可以连续自动测量所需方向的能见度值。