團(tuán)霧激光散射特性及其在智能交通監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

郝 宇， 張彥波,2， 柴自東， 裴浩鵬， 楊文峰

(1.河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院,河南 開封 475000;2.西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,陜西 西安 710071)

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應(yīng)用技術(shù)

團(tuán)霧激光散射特性及其在智能交通監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用*

郝 宇1， 張彥波1,2， 柴自東1， 裴浩鵬1， 楊文峰1

(1.河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院,河南 開封 475000;2.西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,陜西 西安 710071)

針對(duì)團(tuán)霧會(huì)導(dǎo)致智能交通的安全性受到極大影響，通過(guò)分析團(tuán)霧中水凝物的散射特性，定量給出了高濃度水凝物散射造成的激光能量在散射過(guò)程中將出現(xiàn)較大幅度的衰減，并給出了一種基于水凝物激光散射特性的團(tuán)霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)。

團(tuán)霧; 智能交通;馬爾科夫過(guò)程; 散射

0 引 言

對(duì)于智能交通的建設(shè)而言，行車安全是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]。其中，天氣因素是最常見的行車安全影響因素，而團(tuán)霧這一特殊天氣現(xiàn)象導(dǎo)致的行車事故非常難以判斷與預(yù)警。目前，針對(duì)道路交通團(tuán)霧的檢測(cè)主要采用3種方案：1)通過(guò)路網(wǎng)設(shè)計(jì)及公路形態(tài)規(guī)劃減少團(tuán)霧事故發(fā)生[2]；2)通過(guò)采用大數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)加強(qiáng)采集與監(jiān)測(cè)團(tuán)霧常發(fā)區(qū)域的氣象資料，掌握相關(guān)區(qū)域的氣象變化規(guī)律以減少測(cè)量工作及提高氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性[3]。通過(guò)在團(tuán)霧高發(fā)的路段建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使用精度更高的測(cè)量?jī)x器，對(duì)氣象規(guī)律進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)；3)設(shè)立應(yīng)急中心站。從智能交通安全的角度考慮，如何能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)到團(tuán)霧現(xiàn)象的發(fā)生是至關(guān)重要的一環(huán)[4]。即如何根據(jù)團(tuán)霧的水凝物特點(diǎn)研究一種高實(shí)時(shí)性，快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)方案具有實(shí)際意義。

本文首先從組成團(tuán)霧的水凝物的特點(diǎn)出發(fā)，在總結(jié)了相關(guān)研究工作基礎(chǔ)上，給出了水凝物的散射特性的強(qiáng)度隨著散射作用的距離增加的變化趨勢(shì)，然后以該散射變化的距離作為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部署的距離參考值，并通過(guò)激光器實(shí)測(cè)水凝物分布情況下，傳送脈沖信號(hào)的實(shí)際變化情況。給出了利用散射特性所構(gòu)造的團(tuán)霧實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 團(tuán)霧水凝物散射特性

霧中的水凝物粒子同激光作用時(shí)，其吸收作用要低于散射作用至少一個(gè)數(shù)量級(jí)[5]。因此，在研究激光與水凝物的相互作用時(shí)，主要考慮水凝物粒子對(duì)激光的散射作用，經(jīng)過(guò)散射后，原有傳播方向上的激光能量會(huì)衰減。由于激光衰減與霧的濃度、能見度等因素有很大關(guān)系，而且相關(guān)因素比較容易測(cè)得，霧中的水凝物尺寸屬于小粒子，因此，采用Mie散射理論作為霧中水凝物同激光散射過(guò)程的基礎(chǔ)理論[6]。

通過(guò)Mie散射相位函數(shù)定義，可以有效地計(jì)算粒徑分布概率，得到3種類型霧霾的相位函數(shù)[7]，其粒度分布曲線如圖1。

圖1 3種類型的霧、霾歸一化粒徑分布

隨著水凝物尺寸的逐漸增加，散射能量也隨之增大[8,9]。因此，光子每次同水凝物作用時(shí)所產(chǎn)生的衰減主要滿足

Eatt=Eref+Eabs

(1)

式中Eatt為穿過(guò)水凝物的激光能量衰減；Eref水凝物散射的能量；Eabs為物質(zhì)吸收的能量。由式(1)可轉(zhuǎn)化為

(2)

式中I為激光強(qiáng)度，可以得到

I=Rref+Rabs

(3)

式中Rref為散射系數(shù)；Rabs為吸收系數(shù)。對(duì)于各向同性的均勻物質(zhì)來(lái)說(shuō)，入射激光通過(guò)霧層后，其激光強(qiáng)度的相對(duì)減少量與吸收層厚度成正比[10]。

基于激光對(duì)單個(gè)球形粒子的散射，即Mie散射理論的結(jié)果，可以推導(dǎo)出單次散射理論計(jì)算霧衰減率。激光光子在通過(guò)水凝物區(qū)域時(shí)，相互之間的作用過(guò)程滿足馬爾科夫特性，利用這一特點(diǎn)可以直接對(duì)所得衰減結(jié)果進(jìn)行疊加[11]。

本文仿真實(shí)驗(yàn)了激光在穿過(guò)霧區(qū)時(shí)遇到團(tuán)霧狀況后的衰減情況。其衰減、傳播過(guò)程的每一步的演變，并不受之前演變的影響。具體仿真參數(shù)見表1。

單束激光束穿過(guò)霧區(qū)，以前向散射為主，設(shè)定霧區(qū)內(nèi)有1/10的區(qū)域?yàn)閳F(tuán)霧區(qū)，并且在穿過(guò)霧區(qū)時(shí)，激光有一定的幾率未接觸霧滴粒子發(fā)生散射，而是繼續(xù)向前傳播。假設(shè)其在霧區(qū)內(nèi)會(huì)發(fā)生70次散射，通過(guò)100次仿真實(shí)驗(yàn)，可以得到每束激光通過(guò)霧區(qū)后剩余的能量值分布，圖2所示，隨機(jī)抽取其中10次的仿真過(guò)程，得到每次仿真時(shí)激光束能量衰減變化，如圖2所示。

表1 仿真模型參數(shù) %

圖2中可以看出：每次仿真激光能量衰減曲線，特別是二次擬合后得到衰減曲線在第30～40次散射之間有一個(gè)明顯下降過(guò)程，這正是由于團(tuán)霧對(duì)于激光信號(hào)的影響十分顯著而造成的快速而強(qiáng)烈的能量衰減。由此現(xiàn)象，針對(duì)激光在團(tuán)霧環(huán)境下的散射特性，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)檢測(cè)激光能量衰減變化從而判斷團(tuán)霧天氣能否發(fā)生的團(tuán)霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 團(tuán)霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述內(nèi)容給出了具體的團(tuán)霧監(jiān)測(cè)架構(gòu)，如圖3所示。接收端部分的系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖3 團(tuán)霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 接收部分系統(tǒng)流程

系統(tǒng)主要由發(fā)射端模塊與接收端模塊組成。系統(tǒng)開始工作后發(fā)射端模塊發(fā)射出激光信號(hào)，接收端接收對(duì)應(yīng)的激光信號(hào)，并檢測(cè)所接收信號(hào)是否平穩(wěn)、低噪。激光信號(hào)在一般霧天環(huán)境下受到的影響很小，而當(dāng)團(tuán)霧這一高濃度的水凝物環(huán)境出現(xiàn)后，由于散射情況的發(fā)生，激光信號(hào)能量衰減劇烈，會(huì)有一部分激光信號(hào)受到干擾，甚至丟失，直接導(dǎo)致接收端信號(hào)接收到持續(xù)性的干擾?；谏鲜隼碚撆c設(shè)計(jì)，進(jìn)行了多次仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示：當(dāng)激光信號(hào)穿過(guò)內(nèi)含團(tuán)霧天氣的霧區(qū)后，由于高濃度水凝物的影響，產(chǎn)生的能量衰減情況極其強(qiáng)烈，在1 000輪仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)后，最終統(tǒng)計(jì)剩余能量數(shù)值圍繞6.925 dB上下波動(dòng),其二階矩統(tǒng)計(jì)值為6.200 1。由此，可以將6.925 dB設(shè)為團(tuán)霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警閾值，一旦信號(hào)干擾的強(qiáng)度導(dǎo)致能量衰減剩余量低于閾值，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，提示被監(jiān)測(cè)區(qū)域有團(tuán)霧天氣發(fā)生。

圖5 激光穿過(guò)霧區(qū)之后剩余能量分布

3 結(jié)束語(yǔ)

討論了基于水凝物環(huán)境下的激光散射特性的針對(duì)團(tuán)霧監(jiān)測(cè)的單一系統(tǒng)方案，經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的道路交通團(tuán)霧監(jiān)測(cè)方案的分析，結(jié)合各種文獻(xiàn)資料的整理研究，對(duì)道路交通團(tuán)霧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展有一些期望。通過(guò)研究激光同團(tuán)霧作用的能量衰減，提出了一種高實(shí)時(shí)性的團(tuán)霧監(jiān)測(cè)方案。并通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行了分析。

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張彥波，通訊作者，E—mail:ybzhang@xidian.edu.cn。

Fog patches laser scattering characteristics and its application in intelligent traffic monitoring*

HAO Yu1, ZHANG Yan-bo1,2, CHAI Zi-dong1, PEI Hao-peng1, YANG Wen-feng1

(1.School of Physics and Electronics,Henan University,Kaifeng 475000,China;2,School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China)

Aiming at problem that fog patches can impact safety of intelligent transportation greatly,by analyzing on hydrometeors scattering characteristics in fog patches,a quantitative result for attenuation of laser energy through scattering process is presented.Laser energy is greatly attenuated caused by high concentration of hydrometeors.A system architecture of fog patches monitoring is described which is based on laser scattering characteristics in hydrometeors.

fog patches; intelligent traffic; Markov processing; scatter

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0155—03

2016—08—24

河南省教育技術(shù)裝備和時(shí)間教育研究立項(xiàng)項(xiàng)目(GZS029)；河南省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(162102210021)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(16A140004)；陜西省自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(2016JM6011)

TP 277

A

1000—9787(2017)08—0155—03

郝 宇(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信，散射通信,E—mail：342457619@qq.com。