基于嵌入式计算机的激光雷达能见度仪的设计

　　随着我国交通运输业的发展，能见度越发受到人们的重视。气象上它是指视力正常的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出大小适度的黑色目标物的最大距离[1]。在航空领域，能见度是判断机场开放或关闭、飞机起飞或着陆、飞行条件简单或复杂、采用目视飞行或仪表飞行的重要依据。据统计，我国民航 1980 ～ 1989 年间共发生飞行等级事故 52起，其中 19 起在不同程度上与气象条件不好有关，而低能见度在这 19 起事故中出现 16 次，占到总事故次数的 30%[2]，这足以引起人们对其高度的重视。在陆路交通和航海领域，在不良能见度天气下采取必要的交通管制措施将极大地保证运输安全，减少恶性交通事故的发生率。此外，能见度还广泛应用于环保、军事、电力等多个领域，因此能见度测量仪器的研制开发具有很高的实用价值。

　　激光雷达能见度仪是继透射式[3]、前向散射式[4]能见度仪后的一种新型的能见度观测设备。它以激光为光源，通过接收激光回波信号测量能见度，特别是与收发装置相对固定的透射仪、前向散射仪相比，激光雷达能见度仪可以测量斜程能见度，由此扩展了能见度仪的使用功能。

　　激光雷达能见度仪具有以下特点: ① 探测区域广阔，可获得探测路径上能见度的平均值; ② 收发光学单元一体，受地域限制小，应用范围广泛; ③ 直接测量大气光学参数，没有中间环节，测量精度较高。目前成熟的激光雷达能见度仪较为少见。而现有的激光雷达系统大多采用 PC 机或工控机作为控制和数据处理单元，体积过大，结构复杂。为满足多种环境下的使用需求，实现仪器的便携化，笔者以研华的嵌入式计算机 PCM-3370E 作为系统软硬件架构平台，设计了一台激光雷达能见度仪。通过合理选择关键器件，自行设计光学结构，最终实现了大气水平及斜程能见度的客观、便捷测量。

　　1 激光雷达能见度测量原理

　　激光雷达是一种主动式遥感工具，它利用大气后向散射原理，通过探测激光与大气相互作用的辐射信号来测量大气参数。在进行能见度测量时，激光器向大气发射激光脉冲，激光在传输路径上被大气中的气溶胶粒子、分子散射，一小部分后向散射光沿激光发射方向返回，被探测器接收后得到原始回波信号，对此信号进行相应处理即可得到大气能见度。根据 Kos-chmieder 提出的目标物视程理论，能见度由下式得出

　　式中，V 为能见度; ε 为视觉对比度阈值，表示人眼将目标从背景中分辨出来的最小亮度对比，一般取值为0. 02; σ 为大气消光系数，是表征大气透明度的一个物理量。从式( 1) 可见，能见度与大气消光系数关系密切，激光雷达测量能见度就是通过测量大气消光系数进而获得能见度的。