一種激光雷達智能天窗控制系統及方法與流程

本發明屬于天窗控制技術領域，特別是涉及一種激光雷達智能天窗控制系統及方法。

背景技術：

激光雷達上一般都安裝有天窗，其天窗分為固定天窗和自動天窗，固定天窗又分為全封閉式手動固定天窗和玻璃天窗，全封閉式手動固定天窗需要人為的去開啟和關閉。玻璃固定天窗雖不需要人為開啟，但是由于灰塵的影響，使的紫外和紅外的透過率明顯降低。自動天窗雖然實現了電氣化自動控制，省去了人力，但是它僅僅適合實驗室工作模式，需要人工控制開關，不適合野外自動觀測。

綜上所述，現有天窗都不能滿足激光雷達野外無人值守觀測的需求。因此，如何解決上述技術問題成為了該領域技術人員努力的方向。

技術實現要素：

本發明的目的就是提供一種激光雷達智能天窗控制系統及方法，其解決了現有技術不能滿足激光雷達野外無人值守觀測的問題，能根據天氣狀況和激光雷達工作模式自動開啟和關閉天窗，在確保激光雷達測量性能不損失的情況下，提高激光雷達測量的連續性。

本發明的目的通過下述技術方案來實現：

一種激光雷達智能天窗控制系統，包括激光雷達、信號接收模塊、數據分析模塊、控制模塊、通訊模塊和濕度傳感器，所述信號接收模塊與激光雷達、濕度傳感器和數據分析模塊連接，數據分析模塊與控制模塊和通訊模塊連接；

所述信號接收模塊，用于接收激光雷達和濕度傳感器傳遞而來的數據，并將數據傳輸給數據分析模塊；

所述數據分析模塊，用于分析接收到的數據，并將分析結果傳輸給控制模塊和通訊模塊；

所述控制模塊，用于傳遞控制信號給天窗；

所述通訊模塊，用于傳遞分析結果給移動用戶端。

作為優選，還包括2個雨水傳感器，雨水傳感器與控制模塊連接。

作為優選，還包括安裝在天窗上的行程限位開關，行程限位開關與信號接收模塊連接。

作為優選，所述信號接收模塊還通過網絡實時獲取天氣氣象數據。

作為優選，還包括報警裝置，報警裝置與控制模塊連接。

一種激光雷達智能天窗控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，信號接收模塊采集數據參數，并傳輸到數據分析模塊，所述數據參數至少包含激光雷達回波信號數據和空氣濕度數據；

步驟2，數據分析模塊對接收到的數據進行分析，并將分析結果傳輸給控制模塊和通訊模塊；

步驟3，控制模塊根據分析結果向天窗發送控制信號，通訊模塊將分析結果傳遞給移動用戶端。

作為優選，所述數據參數還包括行程限位數據和實時天氣氣象數據。

作為優選，當出現故障時，控制模塊向報警裝置發送報警信號，報警裝置進行報警。

作為優選，控制模塊還接收雨水傳感器傳遞的雨水感應數據，當控制模塊接收到雨水感應信號時，控制天窗關閉。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：結構簡單，設計合理，能根據天氣狀況和激光雷達工作模式自動開啟和關閉天窗，在確保激光雷達測量性能不損失的情況下，提高激光雷達測量的連續性，適合激光雷達長期無人值守監測。

附圖說明

圖1是本發明的原理框圖；

圖2是本發明的原理流程圖；

圖3是激光雷達晴天回波信號的時間演變圖；

圖4是圖3中取12:00時刻做的梯度圖；

圖5是激光雷達雨天回波信號的時間演變圖；

圖6是圖5中取10:00時刻做的梯度圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步的說明。

如圖1和圖2所示，一種激光雷達智能天窗控制系統，包括激光雷達、信號接收模塊、數據分析模塊、控制模塊、通訊模塊和濕度傳感器，所述信號接收模塊與激光雷達、濕度傳感器和數據分析模塊連接，數據分析模塊與控制模塊和通訊模塊連接。所述信號接收模塊，用于接收激光雷達和濕度傳感器傳遞而來的數據，并將數據傳輸給數據分析模塊。所述數據分析模塊，用于分析接收到的數據，并將分析結果傳輸給控制模塊和通訊模塊。所述控制模塊，用于傳遞控制信號給天窗。所述通訊模塊，用于傳遞分析結果給移動用戶端。所述用戶端可以是手機或平板電腦。

為了保證數據分析模塊分析結果的準確性，還包括2個雨水傳感器，雨水傳感器與控制模塊連接。

該系統還包括報警裝置，報警裝置與控制模塊連接。在激光雷達的天窗上安裝有行程限位開關，行程限位開關與信號接收模塊連接。當天窗開關不到位時，控制模塊會向報警裝置發送報警信號，報警裝置進行報警，同時通訊模塊向移動用戶端發送信號給工作人員發出報警。

所述信號接收模塊還通過網絡實時獲取天氣氣象數據。

所述數據分析模塊內預設有當地云層高度闕值和空氣濕度闕值。激光雷達運行時，每一發脈沖的回波信號都會被采集傳輸給信號接收模塊，數據分析模塊根據回波信號采用梯度法測量是否有云，如沒有云，則通過行程限位開關傳遞而來的行程限位數據檢測天窗是否開啟，如天窗開啟，則保持天窗開啟狀態不變，否則打開天窗。當數據分析模塊根據回波信號采用梯度法測量有云存在，則計算云層高度，并判斷云層高度是否大于闕值，若云層高度大于闕值，則通過控制模塊控制天窗開啟，若云層高度小于闕值，則通過濕度傳感器獲得的空氣濕度數據，判斷空氣濕度是否大于闕值，若大于闕值，則通過控制模塊控制天窗關閉，若小于闕值，則檢測天窗開啟狀態，開啟天窗。在天窗關閉狀態下，由于激光雷達的激光出射和接收都可以透過玻璃，因此在雨水天氣也可以繼續測量，一直到降水完畢后，由回波信號和濕度共同確定降水結束，此時重新打開天窗。

在控制天窗開啟或關閉的時候，數據分析模塊通過行程限位開關傳遞給信號接收模塊的信號判斷天窗是否開啟到位或關閉到位。如天窗開啟或關閉不到位，則由控制模塊發送報警信號給報警裝置，報警裝置進行報警，同時通訊模塊向移動用戶端發送信號(短信或電話)給工作人員發出報警，通知工作人員進行及時處理。

當數據分析模塊出現故障，已經落雨卻沒有控制天窗關閉，雨水傳感器檢測到落雨，并傳遞信號給控制模塊，控制模塊直接控制天窗關閉。

該系統通過網絡實時獲取天氣氣象數據，通過天氣預報來輔助判斷是否下雨。加入了兩個雨水傳感器，當其中有一個雨水傳感器發生故障時，有另一個可以保證系統正常運行。在本發明中，同時加入了報警裝置，防止意外情況發生，例如天窗開關不到位，激光雷達不能正常運行都會觸發報警系統，從而使得警報聲響起，無線設備會給相關工作人員發送短信或電話使得工作人員處理意外情況。所述激光雷達的天窗采用輪滑式結構，工作人員可以非常容易的將天窗復位，操作性強，天窗方便人為的開啟和關閉，體現了整個系統的可維護性。

由于激光雷達的高精度性，在烏云聚集并下雨之前，激光雷達都會提前檢測到，從而關閉天窗，這比單單只用雨水傳感器來做保險裝置安全的多，但不同地方下雨的時候，降雨云層高度和空氣濕度不一樣，因此要根據不同的地區選擇不同的降雨云層高度閾值和空氣濕度閾值。

數據分析模塊判斷是否云和計算云層高度的方法具體如下：

激光雷達接收到的米散射回波信號可以用式子(1)所示激光雷達方程表示:

式中：p(r)表示激光雷達接收的高度r處氣溶膠粒子和空氣分子的后向散射回波功率(w)；r表示高度(km)；r′表示0到r之間的變量(km)；p0表示激光雷達發射功率(w)；c表示激光雷達系統常數(w·km³·sr)；βm(r)和βa(r)分別表示高度r處大氣分子和氣溶膠粒子的后向散射系數(km^-1·sr^-1)；am(r′)和aa(r′)分別是高度r′處大氣分子和氣溶膠粒子的消光系數(km^-1)。

激光雷達距離平方校正回波信號rscs(rangesquaredcorrectedsignal):

式中：p(r)表示激光雷達接收的高度r處氣溶膠粒子和空氣分子的后向散射回波功率(w)；r表示高度(km)；r′表示0到r之間的變量(km)；p0表示激光雷達發射功率(w)；c表示激光雷達系統常數(w·km³·sr)；βm(r)和βa(r)分別表示高度r處大氣分子和氣溶膠粒子的后向散射系數(km^-1·sr^-1)；am(r′)和aa(r′)分別是高度r′處大氣分子和氣溶膠粒子的消光系數(km^-1)。

激光雷達回波信號在一定程度上反映了大氣氣溶膠濃度隨高度變化的情況，而云層高度可以用rscs的梯度dev(r)來求出，dev(r)定義為:

dev(r)＝d[p(r)·r²]/dr(3)

式中：p(r)表示激光雷達接收的高度r處氣溶膠粒子和空氣分子的后向散射回波功率(w)；r表示高度(km)。

如圖3所示，為激光雷達晴天回波信號的時間演變圖。圖中顯示的是2014年11月2日激光雷達距離平方校正回波信號隨時間的演變圖，該天為晴天，無云天氣。任意取某一時刻值(例如中午12：00)，做梯度圖，如圖4所示。

圖4中梯度曲線的最小值所在的高度h＝2.52km,即為無云天氣下的氣溶膠層的高度。對于邊界層來說，邊界層以內的氣溶膠濃度分布比較均勻，不會出現太大的變化。

當激光穿透云層的時候，由于云層的回波信號非常強烈，激光雷達回波信號經歷無云—有云—無云的三個狀態，反應到云的梯度法回波信號上，就會出現一個正弦或余弦的曲線(如圖6所示)，即最小負值附近總對應著一個最大正值，二者的絕對值相近。

如圖5所示，為激光雷達雨天回波信號的時間演變圖。圖中顯示的是2014年11月23日有雨的一天，該天從十點左右開始下雨，從圖中可以明顯的看出此時有云出現，從圖6中可以看出在高度2km左右出現類似正余弦的曲線形狀，從而可以判斷該處有云，且云層高度約為2km。

一種激光雷達智能天窗控制方法，包括以下步驟：

步驟1，信號接收模塊采集數據參數，并傳輸到數據分析模塊，所述數據參數包含激光雷達回波信號數據、通過網絡獲得的實時天氣氣象數據、濕度傳感器傳遞而來的空氣濕度數據、行程限位開關傳遞而來的行程限位數據；

步驟2，數據分析模塊利用激光雷達回波信號數據采用梯度法測量是否有云，若無云，則通過行程限位數據判斷天窗是否開啟，如天窗開啟，則傳遞信號給控制模塊保持天窗開啟狀態不變，否則傳遞開啟天窗信號給控制模塊打開天窗，若有云，則計算云層高度，并判斷云層高度是否大于闕值，若云層高度大于闕值，則檢測天窗開啟狀態，通過控制模塊控制天窗開啟，若云層高度小于闕值，則通過空氣濕度數據判斷空氣濕度是否大于闕值，若大于闕值，則檢測天窗開啟狀態，通過控制模塊控制天窗關閉，若小于闕值，則檢測天窗開啟狀態，開啟天窗；

步驟3，控制模塊和通訊模塊接收數據分析模塊傳遞而來的分析結果，控制模塊向天窗發送相應的控制信號，通訊模塊將分析結果傳遞給移動用戶端。

當天窗開啟或關閉不到位時，行程限位開關傳遞行程限位數據給信號接收模塊，數據分析模塊向控制模塊和通訊模塊傳遞信號，控制模塊向報警裝置發送報警信號，報警裝置進行報警，同時，通訊模塊向移動用戶端發送信號(短信或電話)給工作人員發出報警，通知工作人員進行及時處理。

控制模塊還接收雨水傳感器傳遞的雨水感應數據，當控制模塊接收到雨水感應信號時，控制天窗關閉。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。