团雾激光散射特性及其在智能交通监测中的应用*

郝 宇， 张彦波,2， 柴自东， 裴浩鹏， 杨文峰

(1.河南大学 物理与电子学院,河南 开封 475000;2.西安电子科技大学 物理与光电工程学院,陕西 西安 710071)



应用技术

团雾激光散射特性及其在智能交通监测中的应用*

郝 宇1， 张彦波1,2， 柴自东1， 裴浩鹏1， 杨文峰1

(1.河南大学 物理与电子学院,河南 开封 475000;2.西安电子科技大学 物理与光电工程学院,陕西 西安 710071)

针对团雾会导致智能交通的安全性受到极大影响，通过分析团雾中水凝物的散射特性，定量给出了高浓度水凝物散射造成的激光能量在散射过程中将出现较大幅度的衰减，并给出了一种基于水凝物激光散射特性的团雾监测系统架构。

团雾; 智能交通;马尔科夫过程; 散射

0 引 言

对于智能交通的建设而言，行车安全是其中的一个重要环节[1]。其中，天气因素是最常见的行车安全影响因素，而团雾这一特殊天气现象导致的行车事故非常难以判断与预警。目前，针对道路交通团雾的检测主要采用3种方案：1)通过路网设计及公路形态规划减少团雾事故发生[2]；2)通过采用大数据及数据挖掘技术加强采集与监测团雾常发区域的气象资料，掌握相关区域的气象变化规律以减少测量工作及提高气象预报的准确性[3]。通过在团雾高发的路段建立监测点，使用精度更高的测量仪器，对气象规律进行分析、预测；3)设立应急中心站。从智能交通安全的角度考虑，如何能够快速、准确地检测到团雾现象的发生是至关重要的一环[4]。即如何根据团雾的水凝物特点研究一种高实时性，快速、准确的检测方案具有实际意义。

本文首先从组成团雾的水凝物的特点出发，在总结了相关研究工作基础上，给出了水凝物的散射特性的强度随着散射作用的距离增加的变化趋势，然后以该散射变化的距离作为监测节点部署的距离参考值，并通过激光器实测水凝物分布情况下，传送脉冲信号的实际变化情况。给出了利用散射特性所构造的团雾实时监测系统的设计方案。

1 团雾水凝物散射特性

雾中的水凝物粒子同激光作用时，其吸收作用要低于散射作用至少一个数量级[5]。因此，在研究激光与水凝物的相互作用时，主要考虑水凝物粒子对激光的散射作用，经过散射后，原有传播方向上的激光能量会衰减。由于激光衰减与雾的浓度、能见度等因素有很大关系，而且相关因素比较容易测得，雾中的水凝物尺寸属于小粒子，因此，采用Mie散射理论作为雾中水凝物同激光散射过程的基础理论[6]。

通过Mie散射相位函数定义，可以有效地计算粒径分布概率，得到3种类型雾霾的相位函数[7]，其粒度分布曲线如图1。

图1 3种类型的雾、霾归一化粒径分布

随着水凝物尺寸的逐渐增加，散射能量也随之增大[8,9]。因此，光子每次同水凝物作用时所产生的衰减主要满足

Eatt=Eref+Eabs

(1)

式中Eatt为穿过水凝物的激光能量衰减；Eref水凝物散射的能量；Eabs为物质吸收的能量。由式(1)可转化为

(2)

式中I为激光强度，可以得到

I=Rref+Rabs

(3)

式中Rref为散射系数；Rabs为吸收系数。对于各向同性的均匀物质来说，入射激光通过雾层后，其激光强度的相对减少量与吸收层厚度成正比[10]。

基于激光对单个球形粒子的散射，即Mie散射理论的结果，可以推导出单次散射理论计算雾衰减率。激光光子在通过水凝物区域时，相互之间的作用过程满足马尔科夫特性，利用这一特点可以直接对所得衰减结果进行叠加[11]。

本文仿真实验了激光在穿过雾区时遇到团雾状况后的衰减情况。其衰减、传播过程的每一步的演变，并不受之前演变的影响。具体仿真参数见表1。

单束激光束穿过雾区，以前向散射为主，设定雾区内有1/10的区域为团雾区，并且在穿过雾区时，激光有一定的几率未接触雾滴粒子发生散射，而是继续向前传播。假设其在雾区内会发生70次散射，通过100次仿真实验，可以得到每束激光通过雾区后剩余的能量值分布，图2所示，随机抽取其中10次的仿真过程，得到每次仿真时激光束能量衰减变化，如图2所示。

表1 仿真模型参数 %

图2中可以看出：每次仿真激光能量衰减曲线，特别是二次拟合后得到衰减曲线在第30～40次散射之间有一个明显下降过程，这正是由于团雾对于激光信号的影响十分显著而造成的快速而强烈的能量衰减。由此现象，针对激光在团雾环境下的散射特性，设计了一种通过检测激光能量衰减变化从而判断团雾天气能否发生的团雾监测系统。

2 团雾监测系统结构

根据上述内容给出了具体的团雾监测架构，如图3所示。接收端部分的系统流程如图4所示。

图3 团雾监测系统架构

图4 接收部分系统流程

系统主要由发射端模块与接收端模块组成。系统开始工作后发射端模块发射出激光信号，接收端接收对应的激光信号，并检测所接收信号是否平稳、低噪。激光信号在一般雾天环境下受到的影响很小，而当团雾这一高浓度的水凝物环境出现后，由于散射情况的发生，激光信号能量衰减剧烈，会有一部分激光信号受到干扰，甚至丢失，直接导致接收端信号接收到持续性的干扰。基于上述理论与设计，进行了多次仿真实验，结果如图5所示：当激光信号穿过内含团雾天气的雾区后，由于高浓度水凝物的影响，产生的能量衰减情况极其强烈，在1 000轮仿真实验过后，最终统计剩余能量数值围绕6.925 dB上下波动,其二阶矩统计值为6.200 1。由此，可以将6.925 dB设为团雾监测系统报警阈值，一旦信号干扰的强度导致能量衰减剩余量低于阈值，系统将发出警报，提示被监测区域有团雾天气发生。

图5 激光穿过雾区之后剩余能量分布

3 结束语

讨论了基于水凝物环境下的激光散射特性的针对团雾监测的单一系统方案，经过对国内外的道路交通团雾监测方案的分析，结合各种文献资料的整理研究，对道路交通团雾监测系统的发展有一些期望。通过研究激光同团雾作用的能量衰减，提出了一种高实时性的团雾监测方案。并通过数值仿真进行了分析。

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[4] 沙 超,王汝传,张 悦.一种基于无线传感器网络的智能交通系统[J].传感器与微系统,2012,31(10):81-87.

[5] 宋雪平,刘 锋,覃一凡.云雾多次散射对激光散射信号生成的影响[J].红外与激光工程,2007,36:432-435.

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张彦波，通讯作者，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

河南省教育技术装备和时间教育研究立项项目(GZS029)；河南省科技发展计划资助项目(162102210021)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(16A140004)；陕西省自然科学基金面上资助项目(2016JM6011)

TP 277

A

1000—9787(2017)08—0155—03

郝 宇(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为无线通信，散射通信,E—mail：342457619@qq.com。