高速团雾的识别定位系统的制作方法

本实用新型涉及团雾监测识别的技术领域，尤其是高速团雾的识别定位系统。

背景技术：

高速公路(简称高速)具有方便、快速、高效、安全等优点，随着经济的快速发展，人们对出行、运输的需求，其总里程得以飞速增长。我国的高速网覆盖了各种地理气象条件，伴随着的是很多影响高速公路通行的恶劣天气情况。因为高速公路上的车速快、车流量大而且其自身全封闭的特性，但凡碰到低能见度的恶劣天气气候，尤其是遇见突发、随机的团雾天气就特别容易引发交通事故。每年由于大雾(特别是团雾)、下雨、下雪等恶劣天气引起的高速交通事故很多，造成对生命财产和经济的巨大损失。

虽然交管部门也采取了很多措施减小因团雾带来的事故，也利用很多技术手段来进行实时监测和预警，如高速和交管部门在道路多发地段设置提示，建立气象观测点等。但是由于团雾的突发和时间地点的不确定性，现在还无法预报，并且现有的技术手段仍不能从根本上提供团雾的识别和定位信息，让人防不胜防。

目前，对于团雾的监测和识别的几种方式，主要还是基于能见度判别法的方式，包括视频法、前向光散射法、后向光散射法、光透过率法等光学基本原理的手段。

视频法是通过对视频图像信号进行处理，获取监测路段的能见度。该方法常用固定目标作为标准的定标点，在团雾覆盖监测区间时会起到一定的作用；由于图像信息数据量大，信号处理需要的时间相对较长，不适合密集布点；同时，由于天空背景条件的变化，白天黑夜的变化，视频信号不易做统一处理，视频传感器又分为可见光、红外光等，在进行大气能见度信息处理时会有很多不确定因素，数据处理算法非常复杂。因此，视频法在团雾识别定位上还达不到高速的使用要求。

前向光散射法用于能见度测量时，是基于某一区域大气条件相对均一的假设条件下进行测量的，常常用于一个区域的气象环境条件探测。目前存在某些路段布设有基于前向光散射法原理的能见度测量仪，大约10千米的距离布置一套。从测量原理和技术实现上来说，其采样区域实际是针对空间某一个点开展的，对于团雾的分布，有可能只有几百米的范围，这一方式显然不能满足实际需要；而且，受局部区域影响较为严重，如在测量点有抽烟飘过，会直接误判；另外，该设备价格较高，不能密集到几百米就布点。

后向光散射法由于可以实现公里量级的大气状况测量，其较为得到重视，后向光散射法采取大气探测激光雷达的原理，利用激光器作为工作光源，测量大气对激光的后向散射信号从而推导能见度，因为有距离分辨，所以可以用于定位；但是大气散射信号非常弱，因此，后向光散射法所需器件的指标要求非常高，系统稳定性差且价格非常昂贵。目前的技术和成本限制了该方法在高速上布点使用。

透过率法是根据比尔定律测量能见度，根据大气的衰减计算透过率再推导出能见度；基于透过率法的测量系统是由一端发射光，一端接收光，测量的能见度范围和精度受两端之间的距离影响，早期在机场跑道上常用该系统，现在已逐渐不再使用，不再使用的主要原因有：1、早期系统采用器件性能不稳，后来有采取激光器的，价格又高寿命又短，维护不便；2、系统安装调试复杂，两端距离在几米远时常放置在同一导轨上，比较容易布设，面对再长的距离时，采用导轨不太容易保障安装条件，并且设计的光路既要满足测试需要，又要满足现场安装对光问题，需要有经验丰富的调试人员，目前能见到的，两端距离达到150米，光束很细，很难对准；3、光学镜面容易受到大气污染，清理不便；4、没有有效的现场安装方法，也没有一套团雾识别方法，所以也一直没有应用于高速团雾的监测上。

综上所述，目前还没有能够直接使用的基于能见度监测高速团雾得有效方法，因此需要发展一种新的方法适合用于高速团雾监测这一特定场景。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的缺陷，本实用新型提供了一种高速团雾的识别定位系统，更容易实现长距离的测量，方便接收端接收发射光，也方便接收端在安装时的光路对准。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案，包括：

高速团雾的识别定位系统，包括：沿高速公路延伸方向分布的若干个单套测量系统；

所述单套测量系统用于测量其所分布位置的能见度；

所述单套测量系统包括：发射端、接收端、采集与电控单元；

所述发射端内包括：沿光的发射方向依次设置的发射光源、长距离光学单元、均匀光学单元、发射端探测器；

所述发射光源采用脉冲式激光管；

所述长距离光学单元用于对发射光源发出的光的发散角进行压缩；

所述均匀光学单元用于将压缩后的光的光斑能量分布均匀化；

所述发射端探测器用于采集发射端最终发出的光信号，即采集光斑能量分布均匀化后的光信号；

所述发射端发出的发射光到达接收端时，接收端处于发射光的光斑内；

所述接收端包括：沿光的接收方向依次设置的接收汇聚单元、接收端探测器；

所述接收汇聚单元用于对发射光的光斑进行汇聚；

所述接收端探测器用于采集接收端最终接收的光信号，即采集接收汇聚单元汇聚后的光信号；

所述采集与电控单元分别与发射端和接收端进行数据传输；所述采集与电控单元分别获取发射端探测器的采集信号和接收端探测器的采集信号；

所述采集与电控单元用于控制发射端的发射光源的脉冲信号的发射时序，以及用于控制发射端探测器的采集信号和接收端探测器的采集信号的获取时序；

所述采集与电控单元还安装有输入接口，用于设定发射端与接收端之间的距离，设定发射光源的脉冲信号的发射时序，设定控制发射端探测器的采集信号和接收端探测器的采集信号的获取时序；

所述采集与电控单元上安装有计算程序，用于计算该单套测量系统所分布位置的能见度；

所述采集与电控单元用于对发射端探测器的采集信号和接收端探测器的采集信号，以及对该单套测量系统所分布位置的能见度进行数据存储。

所述长距离光学单元包括两个透镜，利用该两个透镜实现光的发散角的压缩。

所述均匀光学单元包括一个透镜，利用该一个透镜实现光斑能量分布均匀化。

所述接收汇聚单元包括两个透镜，利用该两个透镜实现发射光光斑的汇聚，即接收汇聚单元包括前后两级光路汇聚。

所述接收汇聚单元还包括滤光片，所述滤光片的波长与发射光源即脉冲式激光管的波长相对应。

所述发射端的发射口与所述接收端的接收口均设有防护罩，且发射端和接收端的防护罩的外形尺寸以及安装方式均一致；

所述防护罩的中轴线沿水平方向向下倾斜。

发射端的外壳上设有手持式可见光激光测距仪，手持式可见光激光测距仪的发射方向与发射端的发射方向保持一致；

所述手持式可见光激光测距仪用于辅助发射端和接收端的位置安装，实现发射端和接收端之间的对光；所述手持式可见光激光测距仪还用于测量发射端与接收端之间的距离即传输距离。

系统还包括：分别与若干个单套测量系统相连接的上位机；

所述单套测量系统将测量结果即其所分布位置的能见度实时发送给上位机；

所述上位机分别接收此若干个单套测量系统的测量结果，用于根据此若干个单套测量系统的测量结果及其所分布位置进行综合分析，对整条高速的团雾进行识别定位，以及绘制整条高速上的能见度实时变化图。

所述单套测量系统还包括数据传输接口；所述数据传输接口用于实现该单套测量系统与上位机之间的数据传输。

在高速公路上，最大以每500米布设一个单套测量系统，最小以200米布设一个单套测量系统，即一个单套测量系统中发射端和接收端之间的距离不大于500米且不小于200米；相邻的两个单套测量系统之间，沿高速走向，前一个单套测量系统的接收端与后一个单套测量系统的发射端相邻且背对设置。

本实用新型的优点在于：

(1)在高速上布设若干个单套测量系统，单套测量系统为透过率法的能见度测量设备，本实用新型中，仅要求接收端位于发射光光斑内即可，而现有技术中都是要求发射光完全进入接收端，本实用新型更容易实现长距离的测量，方便接收端接收该发射光，也方便接收端在安装时的光路对准。

(2)本实用新型的发射光源采用脉冲式的激光管，激光管的波长为近红外光波长，以10khz的脉冲方式工作，能够提高信号测量的信噪比，同时，激光管价格便宜，单色性好，方便购买，且目前的工艺能够确保激光管的工作稳定。

(3)本实用新型的长距离光学单元利用两片透镜实现光的发散角的压缩，能够合理压缩，且能够保证不会压缩过小。

(4)本实用新型的均匀光学单元保障光斑的能量分布均匀化，确保接收端在安装时不会由于安装位置即接收光斑的位置不同而影响接收效果。

(5)本实用新型的接收汇聚单元具备前后两级光路汇聚，以保证发射光光斑能够完全接收。

(6)本实用新型的各个单套测量系统均具备采集与电控单元，能够直接对能见度进行计算并存储，各个单套测量系统直接将其所分布位置的实时能见度数据发送至上位机，上位机直接利用各个分布位置的实时能见度对整条高速上的团雾进行识别定位，提高了上位机的处理速度。

(7)本实用新型的滤光片的波长与发射光源即脉冲式激光管的波长相对应，用于压低背景信号，增加系统测量的信噪比，本实用新型通过发射端的脉冲式激光管和接收端的滤光片抑制测量过程中的背景信号，从而实现传输距离超过200米的有效探测。

(8)发射端和接收端的防护罩的外形尺寸以及安装方式均一致，为了保证光信号在发射端和接收端所受的干扰一致，从而相互抵消干扰，防护罩的中轴线沿水平方向向下倾斜，用于防止雨水进入和灰尘残留，以及用于遮蔽杂散光。

(9)由于本实用新型的接收端只需落在发射光光斑内即可，因此选择手持式可见光激光测距仪辅助发射端和接收端的安装，利用手持式可见光激光测距仪既可以实现发射端和接收端之间的对光，又可以实现发射端与接收端之间的传输距离的测量。

(10)本实用新型的各个单套测量系统的数据均发至路段总控的上位机中，进行统一的分析计算、识别定位，并且上位机可以按照实际需要再发到该路段高速信息中心。

(11)本实用新型的单套测量系统无缝连接布点，按照高速的走势每200～500米架设一个单套测量系统，每个单套测量系统的监测段为200-500米，上位机根据每个单套测量系统所在监测段的测量结果可以识别定位高速团雾的位置信息。200～500米的距离也是高速上车流能够保证安全的距离，同时也是可以区分团雾所在区域的尺度。

附图说明

图1为高速团雾的识别定位系统的整体示意图。

图2为单套测量系统的整体示意图。

图3为发射端与接收端之间的光路示意图。

图4为接收端与发射光光斑之间的位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

由图1所示，本实用新型的高速团雾的识别定位系统，包括：沿高速方向分布的若干个单套测量系统，以及分别与此若干个单套测量系统相连接的上位机；

所述单套测量系统用于测量其所分布位置的能见度，并将测量结果发送给上位机；所述上位机分别接收此若干个单套测量系统的测量结果，并根据此若干个单套测量系统的测量结果及其所分布位置，以实现整条高速的团雾识别定位。

所述单套测量系统是根据大气的透过率测量和能见度计算定律，得到其所分布位置的能见度，具体原理如下所示：

透过率测量的基本原理是比尔朗伯定律：大气透射测量时，已知发射端发出强度为io的平行光，该平行光透射经过一段传输距离l后到达接收端，接收端的接收强度为i，则有：

式中，τ表示大气透过率，δ表示大气消光系数，大气消光系数δ是计算气象光学视程mor、机场跑道视程rvr的关键物理量；

若该平行光在传输距离l中的大气是水平均匀的，则有：

因此，消光系数δ为：

根据能见度计算定理koschmieder，气象光学视程mor的计算公式为：

式中，t表示人眼对比视觉阈值，本实用新型中，人眼对比视觉阈值t取值为0.05，为航空中常用值；则有：

由于则有：

气象光学视程mor即为能见度，由上式可知，能见度与大气消光系数δ有关，大气消光系数δ与大气透过率τ和基线长度即传输距离l有关。

由图2所示，所述单套测量系统包括：发射端1、接收端2、采集与电控单元3、数据传输接口、电源供给单元。

由图3所示和图4所示，所述发射端1发出的发射光到达接收端2的位置时，发射光光斑将接收端2包含在内，即接收端2位于发射光光斑内，且接收端2的接收口径仅占发射光光斑的一小部分，方便接收端2接收该发射光，也方便接收端2在安装时的光路对准。本实用新型中，仅要求接收端2位于发射光光斑内即可，而现有技术中都是要求发射光完全进入接收端2，现有技术不容易实现长距离的测量。

由图2所示，所述发射端1包括：沿光的发射方向依次设置的发射光源101、长距离光学单元102、均匀光学单元103、发射端探测器104。其中，

所述发射光源101采用脉冲式的激光管，激光管的波长为近红外光波长，以10khz的脉冲方式工作，能够提高信号测量的信噪比，同时，激光管价格便宜，单色性好，方便购买，且目前的工艺能够确保激光管的工作稳定。

所述长距离光学单元102用于对发射光源101发出的光的发散角进行压缩；所述长距离光学单元102利用两片透镜实现光的发散角的压缩；所述长距离光学单元102能够合理压缩，且能够保证不会压缩过小；本实施例中，按照接收端的接收口径为15毫米，在距离发射端200米左右时，发射光光斑不小于100毫米，保证接收端2能够进行光路对准，在距离发射端500米左右时，发射光光斑则更大，接收端2更容易进行光路对准。

所述均匀光学单元103用于保障光斑的能量分布均匀化，确保接收端在安装时不会由于安装位置即接收光斑的位置不同而影响接收效果；所述均匀光学单元103利用一片透镜实现光斑的能量分布均匀化。

所述发射端探测器104用于采集发射端最终发射出的光信号。

由图2所示，所述接收端2包括：沿光的接收方向依次设置的接收汇聚单元201、接收端探测器202。其中，

所述接收汇聚单元201用于对发射光光斑进行汇聚；所述接收汇聚单元201利用两片透镜实现光斑的汇聚，即包括前后两级光路汇聚；所述接收汇聚单元201还设有滤光片，所述滤光片的波长与发射光源201即脉冲式激光管的波长相对应，用于压低背景信号，增加系统测量的信噪比。本实用新型通过发射端的脉冲式激光管和接收端的滤光片抑制测量过程中的背景信号，从而实现传输距离超过200米的有效探测。

所述接收端探测器202用于采集接收端最终接收到的光信号。

所述采集与电控单元3分别与发射端1和接收端2进行数据传输，控制发射端1的发射光源101即激光管的脉冲信号发射时序，同时在设定的时序下分别获取发射端探测器104的采集信号和接收端探测器202的采集信号；

所述采集与电控单元3上安装有计算程序，用于根据发射端探测器104的采集信号计算出发射端发射出的光的强度io，用于根据接收端探测器202的采集信号计算出接收端接收到的光的强度i，以及用于计算能见度；

所述采集与电控单元3安装有输入接口，用于设定输入激光管脉冲信号的发射时序，用于设定发射端探测器104的采集信号和接收端探测器202的采集信号的获取时序，用于设定该单套测量系统的编号，以及用于设定发射端与接收端之间的距离即传输距离l；

所述采集与电控单元3还具备自检的功能和数据存储的功能，本实施例中，所述采集与电控单元3可实现三个月的数据存储。

由图2所示，本实施例中，将所述采集与电控单元3直接安装在发射端1上，采集与电控单元3可以直接获取发射端1上的发射端探测器104的采集信号；发射端1与接收端2之间通过有线或无线的方式进行数据传输，接收端2将接收端探测器202的采集信号发送给发射端1上的采集与电控单元3；

由图2所示，本实施例中，所述发射端1和所述接收端2的外壳形状及尺寸相同，在使用过程中，通过外壳的颜色区发射端1和接收端2。

由图2所示，发射端1的发射口和接收端2的接收口均安装有防护罩6，且发射端1和接收端2的防护罩6的外形尺寸以及安装方式均一致；所述防护罩6的中轴线沿水平方向向下倾斜1度，用于防止雨水进入和灰尘残留，以及用于遮蔽杂散光。本实施例中，所述防护罩6的长度为50厘米，内径为25厘米，要求防护罩6的内径大于发射端1的发射口和接收端2的接收口。

所述数据传输接口用于实现该单套测量系统与上位机之间的数据传输。本实施例中，所述数据传输接口与采集与电控单元3设置在一起，该单套测量系统通过数据传输接口将采集与电控单元3的数据发送给上位机，即将该单套测量系统的采集与电控单元3计算得到的能见度发送给上位机。

电源供给单元用于对单套测量系统的各个组成部分进行供电，选择蓄电池配风能或配太阳能作为自主电源，并预留市电接口。

由图2所示，通过支撑杆将发射端1和接收端2安装在高速公路的路肩或中间绿化带上，且要求发射端1和接收端2的高度超过绿化带高度。

由于本实用新型的接收端2只需落在发射光光斑内即可，故发射端1和接收端2安装时，发射端1和接收端2之间的对光采用手持式可见光激光测距仪，将手持式可见光激光测距仪放置在发射端1外壳上，手持式可见光激光测距仪的发射方向与发射端1的发射方向保持一致，使得手持式可见光激光测距仪的可见光光线穿过接收端的位置；同时利用手持式可见光激光测距仪测量发射端1与接收端2之间的距离，即可获取传输距离l，并将该传输距离l输入所述采集与电控单元3中。

所述上位机与各个单套测量系统均进行信息交互，分别实时获取各个单套测量系统的编号和测量结果即能见度，所述上位机还能实时获取各个单套测量系统的自检状态。

所述上位机根据各个单套测量系统的实时测量结果及其所分布位置，实时获取整条高速上各位置的能见度，进行综合分析，对高速团雾进行识别定位。

所述上位机将各个单套测量系统的所在位置转化为高速上的坐标，并绘制高速上各个坐标处的能见度的实时变化图。

所述上位机具备人机交互的功能，包括安装后的调试，信息录入，团雾预警。

所述上位机还预留更上级的通讯接口，以实现其他管理级别更高的计算机对高速团雾信息的自动获取功能。

由图1所示，本实施例中，关于高速上的此若干个单套测量系统的分布，通过分析往年团雾的尺度、位置信息和变化过程信息，并结合不同路段的地形和气象条件，对高速公路上的团雾高发区域，按照高速走势，尽量以每500米布设一个单套测量系统，即一个单套测量系统中发射端1和接收端2之间的距离不大于500米，且相邻的两个单套测量系统之间，沿高速走向，前一个单套测量系统的接收端2与后一个单套测量系统的发射端1相邻；在弯道较多的区域，可以将一个单套测量系统中发射端1和接收端2之间的距离减小至200米左右。

以上仅为本实用新型创造的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型创造，凡在本实用新型创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型创造的保护范围之内。