本發(fā)明涉及大氣探測(cè)激光雷達(dá)，具體涉及一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法。

背景技術(shù)：

1、激光雷達(dá)已被用大氣的溫、濕、壓、風(fēng)等氣象參數(shù)的高時(shí)空分辨率探測(cè)。在激光大氣遙感探測(cè)的過程中，保持望遠(yuǎn)鏡鏡片的清潔對(duì)于激光雷達(dá)的有效探測(cè)能力是至關(guān)重要的。通常，激光雷達(dá)直接置于戶外環(huán)境中，惡劣的環(huán)境導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡鏡片表面容易積累沙塵、雨雪和凝結(jié)露水等物質(zhì)。這些物質(zhì)會(huì)造成出射激光和回波信號(hào)嚴(yán)重的衰減，進(jìn)而降低了大氣參數(shù)的探測(cè)精度和激光雷達(dá)的探測(cè)距離。

2、傳統(tǒng)的清潔方式主要采用自動(dòng)雨刷或人工擦除等方式來清除鏡片表面的雜質(zhì)，但這種方式存在顯著缺點(diǎn)。首先，機(jī)械雨刮器與鏡片的直接摩擦易在風(fēng)沙、多塵環(huán)境中加速鏡面磨損，長(zhǎng)期使用將導(dǎo)致表面劃痕及模糊化，造成透光率下降，直接影響探測(cè)數(shù)據(jù)精度；其次，在下雨環(huán)境中，雨刷工作后，鏡片表面仍然會(huì)殘留一層水膜，對(duì)于在近紅外波段工作的激光雷達(dá)產(chǎn)生反射與吸收效應(yīng)，導(dǎo)致回波信號(hào)強(qiáng)度嚴(yán)重衰減；此外，現(xiàn)有清潔方式對(duì)鏡片內(nèi)部的冷凝水霧完全失效，而此類結(jié)露會(huì)直接阻斷激光透射路徑；再者，人工擦拭存在操作隨機(jī)性大、響應(yīng)滯后等問題，難以滿足大氣探測(cè)激光雷達(dá)無人值守工況下的實(shí)時(shí)清潔需求。這些缺點(diǎn)給激光雷達(dá)的長(zhǎng)期自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來了挑戰(zhàn)。上述問題已嚴(yán)重制約激光雷達(dá)在極端環(huán)境下的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，但目前尚未出現(xiàn)能同步解決外部污染清除、水膜消減及防結(jié)露的集成化清潔方法與系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提出了一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，有效利用高速氣流清潔鏡片表面，不僅具備吹除灰塵、積水等雜質(zhì)的功能，還可以通過調(diào)節(jié)氣流溫度，滿足不同環(huán)境條件下的需求，提供非接觸式加熱功能，從而有效防止露水凝結(jié)，保持鏡片的清潔與干燥，解決了激光雷達(dá)望遠(yuǎn)鏡片存在凝結(jié)水霧導(dǎo)致的紅外激光透射損耗難題。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，包括以下步驟：

3、（1）通過實(shí)時(shí)感應(yīng)模塊監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，鏡片溫度、環(huán)境相對(duì)濕度并將數(shù)據(jù)上傳至控制模塊；

4、（2）控制模塊基于以下任一條件觸發(fā)清潔操作：

5、條件1：當(dāng)鏡片反射率r超過動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)反射率閾值，且持續(xù)時(shí)間超過閾值時(shí)，啟動(dòng)噴氣模塊噴射氣流清潔鏡片；

6、條件2：當(dāng)檢測(cè)到降水事件時(shí)，啟動(dòng)噴氣與加熱模塊噴射溫度為t2的加熱氣流；

7、條件3：當(dāng)鏡片溫度t1低于環(huán)境露點(diǎn)溫度，且持續(xù)時(shí)間超過動(dòng)態(tài)時(shí)間閾值時(shí)，啟動(dòng)噴氣與加熱模塊噴射溫度為t2的加熱氣流；

8、（3）當(dāng)清潔條件不再滿足時(shí)，停止清潔操作。

9、進(jìn)一步的，動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)反射率閾值公式如下：利用過去預(yù)設(shè)時(shí)間窗口的歷史平均鏡片反射率給出：

10、；

11、其中，n歷史數(shù)據(jù)窗口長(zhǎng)度；為過去t時(shí)刻各時(shí)次的反射率。

12、進(jìn)一步的，降水事件的判定包括：通過多普勒激光雷達(dá)實(shí)時(shí)分析回波信號(hào)的頻譜特性，當(dāng)譜寬超過預(yù)設(shè)譜寬閾值且偏度超過預(yù)設(shè)偏度閾值時(shí)，判定為降水事件。

13、進(jìn)一步的，加熱氣流溫度t2的確定方法為：根據(jù)環(huán)境溫度t0和相對(duì)濕度rh，通過以下公式計(jì)算t2，

14、；

15、其中，rh為濕度傳感器測(cè)定的環(huán)境實(shí)際相對(duì)濕度，為預(yù)設(shè)相對(duì)濕度閾值，和基于tetens飽和水汽壓公式得到：

16、；

17、其中，t是攝氏溫度，?，a、b為常數(shù)。

18、進(jìn)一步的，動(dòng)態(tài)時(shí)間閾值公式如下：

19、；

20、其中， ?是基準(zhǔn)相對(duì)濕度，。

21、進(jìn)一步的，露點(diǎn)溫度公式如下：

22、；

23、其中，，rh為濕度傳感器測(cè)得的環(huán)境相對(duì)濕度。

24、本發(fā)明所述的一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制系統(tǒng)，用于支持一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，包括：

25、噴氣與加熱模塊：包括高壓氣源、加熱元件、噴氣口和旋轉(zhuǎn)主軸，旋轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)噴氣口旋轉(zhuǎn)以均勻噴射氣流；

26、實(shí)時(shí)感應(yīng)模塊：包括溫度傳感器、濕度傳感器、降水傳感器和微型攝像頭，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)及鏡片表面狀態(tài)；

27、控制模塊：用于接收傳感器數(shù)據(jù)，執(zhí)行任一所述的方法，控制噴氣與加熱模塊的啟停及參數(shù)調(diào)節(jié)。

28、進(jìn)一步的，高壓氣源為無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓風(fēng)扇或高壓氣瓶，且噴氣口的氣流壓力可調(diào)；溫度傳感器包括兩個(gè)探頭，分別測(cè)量環(huán)境溫度t0和鏡片溫度t1。

29、進(jìn)一步的，加熱元件為電熱絲、陶瓷加熱片或ptc加熱器；系統(tǒng)支持定時(shí)工作模式，按預(yù)設(shè)時(shí)間間隔自動(dòng)啟動(dòng)噴氣清潔。

30、進(jìn)一步的，控制模塊根據(jù)雷達(dá)實(shí)時(shí)最遠(yuǎn)探測(cè)距離lm的變化率，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)噴氣與加熱模塊的工作功率，直至?xí)r停止調(diào)節(jié)。具體控制過程如下：

31、首先設(shè)定初始系統(tǒng)工作功率，并同時(shí)以步長(zhǎng)逐漸增加功率。工作功率隨時(shí)間t調(diào)整為：

32、；

33、同時(shí)，根據(jù)雷達(dá)實(shí)時(shí)反饋的最遠(yuǎn)探測(cè)距離的相對(duì)變化率：

34、；

35、當(dāng)時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到最佳工作狀態(tài)，并將當(dāng)前功率作為最終工作功率。

36、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明利用高速氣流實(shí)現(xiàn)鏡片表面的清潔，具有不直接接觸望遠(yuǎn)鏡鏡片的特點(diǎn)，能夠避免傳統(tǒng)雨刷的摩擦對(duì)鏡面造成磨損，可提高設(shè)備工作壽命和沿長(zhǎng)有效工作時(shí)長(zhǎng)，保證有效探測(cè)能力。本發(fā)明通過檢測(cè)降雨事件，并設(shè)定持續(xù)熱氣流吹洗工作模式，有效清除望遠(yuǎn)鏡表面的水膜，極大減少水膜對(duì)近紅外激光信號(hào)的衰減和人工擦拭不及時(shí)造成的數(shù)據(jù)損失。本發(fā)明利用溫濕度傳感器，主動(dòng)判定結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)，并通過調(diào)節(jié)噴出氣流溫度，有效避免鏡片凝結(jié)水霧，解決了傳統(tǒng)清潔對(duì)象只能是鏡片外部污染物的難題。

技術(shù)特征：

1.一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，其特征在于，動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)反射率閾值公式如下：利用過去預(yù)設(shè)時(shí)間窗口的歷史平均鏡片反射率給出：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，其特征在于，降水事件的判定包括：通過多普勒激光雷達(dá)實(shí)時(shí)分析回波信號(hào)的頻譜特性，當(dāng)譜寬超過預(yù)設(shè)譜寬閾值且偏度超過預(yù)設(shè)偏度閾值時(shí)，判定為降水事件。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，其特征在于，加熱氣流溫度t2的確定方法為：根據(jù)環(huán)境溫度t0和相對(duì)濕度rh，通過以下公式計(jì)算t2，

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，其特征在于，動(dòng)態(tài)時(shí)間閾值公式如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，其特征在于，露點(diǎn)溫度公式如下：

7.一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制系統(tǒng)，其特征在于，用于支持一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制系統(tǒng)，其特征在于，高壓氣源為無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓風(fēng)扇或高壓氣瓶，且噴氣口的氣流壓力可調(diào)；溫度傳感器包括兩個(gè)探頭，分別測(cè)量環(huán)境溫度t0和鏡片溫度t1。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制系統(tǒng)，其特征在于，加熱元件為電熱絲、陶瓷加熱片或ptc加熱器；系統(tǒng)支持定時(shí)工作模式，按預(yù)設(shè)時(shí)間間隔自動(dòng)啟動(dòng)噴氣清潔。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制系統(tǒng)，其特征在于，控制模塊根據(jù)雷達(dá)實(shí)時(shí)最遠(yuǎn)探測(cè)距離lm的變化率，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)噴氣與加熱模塊的工作功率，直至?xí)r停止調(diào)節(jié)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種大氣遙感光學(xué)表面氣熱協(xié)同自潔控制方法，包括以下步驟：（1）通過實(shí)時(shí)感應(yīng)模塊監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，鏡片溫度、環(huán)境相對(duì)濕度并將數(shù)據(jù)上傳至控制模塊；（2）控制模塊基于任一條件觸發(fā)清潔操作；（3）當(dāng)清潔條件不再滿足時(shí)，停止清潔操作；本發(fā)明不僅具備吹除灰塵、積水等雜質(zhì)的功能，還可以通過調(diào)節(jié)氣流溫度，滿足不同環(huán)境條件下的需求，提供非接觸式加熱功能，從而有效防止露水凝結(jié)，保持鏡片的清潔與干燥。

技術(shù)研發(fā)人員：劉思涵,魏天問,汪夢(mèng)雅,許可祎,章振,夏海云
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京信息工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/24