CN102445458A - 一种光学透镜测污装置 - Google Patents

Abstract

一种光学透镜测污装置，光电信号探测部分由红外LED光源、探测器、滤光片、安装支架构成。红外LED光源通过固定支架安装在光学仪器内部被测透镜后方，发射方向指向透镜；探测器通过固定支架固定在被测透镜后方；滤光片粘在探测器面源前端，用于去除杂散光的干扰；测量控制电路包括单片机、光源驱动电路、前置放大电路、滤波电路、信号解调电路、模数转换电路、数据输出电路、存储器电路。探测器接收到的后向散射光信号经过测量电路放大、处理后，由中央处理器判断透镜面受到的污染程度，并当透镜表面污染程度超过预警阀值时，输出报警信号提醒需要进行透镜清洁。本发明用于监测外场在线运行的透镜表面污染程度，为系统正常运行提供保障。

Description

一种光学透镜测污装置

技术领域

本发明涉及光学仪器应用领域，是一种基于光后向散射理论对光学透镜表面污染进行自动监测的装置，适用于在外场在线运行的光学仪器的透镜污染测量。

背景技术

目前，很多光学仪器在外场安装使用，进行气象、环境保护、生态通量、光通信等领域的在线测量。随之而来的问题是：由于光学透镜暴露在外场，会受到灰尘或其它污染物的污染，透镜镜面的清洁度下降，透射率减小，导致接收或发射的光强变弱，影响到测量结果，严重时会导致仪器无法正常工作。目前，还没有有效的方法能自动测量出透镜是否受到污染，以及污染的程度，主要靠人工定时巡查，通过目测观察透镜的污染情况。

发明内容

本发明解决的问题是：一种光学透镜测污装置，通过测量光的后向散射的强度变化，来判断光学仪器透镜是否受到了污染，并在污染严重时提供报警，告知需要进行清洁维护。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种光学透镜测污装置，包括光电信号探测部分和测量控制电路，所述光电信号探测部分由LED光源、PIN探测器、滤光片、固定支架构成；LED光源通过固定支架安装在光学仪器内部被测透镜后面中心位置，LED光源的发射方向指向透镜；所述探测器采用PIN光电二极管，通过固定支架安装在被测透镜后面中心位置，位于LED光源旁，探测器面源方向朝向透镜；滤光片粘在探测器面源前端，滤除非LED光源波段的杂散光；LED光源发出光照射在透镜面上，透镜表面的尘埃等污染物会产生后向散射光，探测器接收透镜面的后向散射光信号，该信号经过测量控制电路的放大、处理后得到被测透镜面受污染程度，并判断是否需要输出报警信号。

所述测量控制电路包括：单片机、光源驱动电路，前置放大电路、滤波电路、信号解调电路、模数转换电路、数据输出电路、存储器电路；其中：

LED光源驱动电路，用于提供稳定的LED光源稳定工作电流，光源的开启、关闭由单片机进行控制。开启时，采用调制电路对光源进行调制，在工作状态下输出的是2.4K的脉冲光；

前置放大电路采用高精度的运放，型号为OPA602，将光电探测器的电流信号转换成电压信号，由二级放大电路放大；

滤波电路，用于滤去不在调制波段上的干扰信号，由运放TL084构成的二阶压控电压源带通滤波电路，把滤波网络接在运放的同相输入端，带通范围为2300-2500HZ，刚好覆盖了调制信号所处的频带；

信号解调电路，用于完成对信号的解调以及放大，采用有效值检波的方式对信号进行解调，采用专用芯片AD763；

模数转换电路，用于把采集到的后向散射光信号转换成数字量；

RS-232通信接口电路，用于实现将透镜污染数据上传到监控计算机上，以便后台处理；

单片机负责整个测量系统的控制功能，协调各个部分，完成测量过程。包括开启测量光源、采集控制、模数转化、判断污染程度及输出报警信号。

单片机启动测量时，首先进行系统初始化，再输出控制信号，驱动电路开启LED光源，并加上脉冲调制，形成高频脉冲光，用来去除杂散光的影响；照在透镜表面的污染物产生后相散射光，被探测器接收，转化为电流信号，并经过前置放大电路放大；经过放大的信号通过滤波电路，滤除噪声信号，并通过解调电路进行信号解调，得到后相散射信号强度，用V表示。在单片机的控制下，通过模数转换成数字信号进行存储，利用一元线性回归方程T＝kV+b(k是比例系数、b是方程截距)求得透镜的透过率T，当透过率T超过警戒阀值，即透镜表面污染程度被认为超过警戒阀值时，通过RS232串口电路输出报警信号，提醒需要进行透镜清洁。

本发明的原理：本发明是基于Mie散射理论，对透镜面上覆盖的污染物进行后向散射光强的测量，其强度大小与透镜面上污染物的堆积浓度相关，可以得到透镜的透过率，反映出透镜的污染程度。

后向散射测量透镜污染的原理：如图1，强度为I_o的入射光通过透镜中的污染颗粒后，光线减弱，镜面上的污染颗粒将其散射到各个方向，对于与入射角方向夹角在90°到270°范围的这部分散射光被称为后向散射光，如图2。假设散射粒子为球形的，其半径r与光的波长λ的比例关系，一股使用衍射参数ρ表示。ρ为颗粒周长与光的波长之比，即ρ＝2πr/λ。颗粒散射光的特性主要取决于衍射参数ρ。可以划分出三个基本范围：ρ＜＜1、ρ≈1、ρ＞＞1。每种范围均有其显著的特点。如果ρ≈1，散射光强度用Mie氏方程计算。一股的灰尘是由于物体粉碎而产生和分散到空气中的微粒，但成分与生成前的物质相同，一股都在几百nm到几um范围内，基本上与常用的探测光波长处于同一数量级别。所以，可以用Mie散射理论来计算。

根据Mie散射理论，球形颗粒光散射的完备分析解，可表述为以下方程：

$I_{\mathrm{pac}}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{I_0{\mathrm{\λ}}^2}{8\mathrm{\π}{R}^2}[i_1(\mathrm{\ρ},n,\mathrm{\θ})+i_2(\mathrm{\ρ},n,\mathrm{\θ})]---\left(1\right)$

式中I_pac(θ)-θ方向散射光的强度(按入射光的强度单位计算)，

R-观察点至颗粒间的距离；

λ-探测光波长；

n-折射率；

ρ-衍射参数；

i₁(ρ，n，θ)-垂直于散射平面的偏振散射光强度；

i₂(ρ，n，θ)-平行于散射平面的偏振散射光强度。

这时若透镜单位表面内的颗粒数为N，即透镜面上污染物的堆积浓度。这里用颗粒的平均粒径来表示散射体中颗粒的粒径分布，在某一方面向上的散射强度，就是散射体中个个粒子在这一方向上的散射强度的相加，那么当光入射到一个单位散射体上时，则在距离为R处的散射光强：

$I_N\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\mathrm{NI}}_0{\mathrm{\λ}}^2}{8\mathrm{\π}{R}^2}[i_1(\mathrm{\ρ},n,\mathrm{\θ})+i_2(\mathrm{\ρ},n,\mathrm{\θ})]---\left(2\right)$

N-单位体积内的粒子数；

式中，入射波长λ、入射光强I₀、探测距离R、被测粒径的衍射参数ρ、折射率n是确定时，后相散射光强的强度I_N(180°)与镜面上堆积的粒子的浓度N成正比：

而透过透镜的光强为，即θ＝0°：

所以：

即：

I_N(0°)＝K₁*I_N(180°)            (6)

透镜的透过率可以表示为：

其中，为常量。

从公式(7)可以看出，通过后相散射光强I_N(180°)与透镜的透过率T成比例关系，它直接反应出了透镜受污染的程度，这就是用光后向散射法测量透镜面污染的原理。因此，通过实验标定，可以得到接收电压强度V关于透镜透过率的线性回归方程：

T＝kV+b            (8)

其中：

T-透镜透过率；

V-光电探测器的转换电压；

k-是比例系数；

b-是方程截距。

探测器与光源的位置保证了：探测器面源上可以接收到光源照射到透镜面上的180°后相散射光，公式(8)是单片机计算透过率的基本算法，给出了后向散射光强与透过率的确定关系，能够判断出镜面的受污染的程度。

本发明的优点在于：

(1)本发明利用Mie散射理论：后向散射光强与透镜透过率有很好的线性关系，通过测量后向光散射强度，判断光学透镜污染情况，实现了光学仪器的光学透镜污染自动监测，灵敏度高、结构简单、易于安装，为外场光学仪器的正常使用保障；

(2)本发明中，LED光源驱动电路实现了恒流供电，保证LED光源辐射出稳定的光强，保证测量的可靠性，并且通过脉冲发生电路实现光源高频调制，避免了外界杂散光的干扰；

(3)本发明中，探测器前端加入了滤光片，避免了外界杂散光的干扰；

(4)本发明中，测污过程完全受到单片机控制，可以避免干扰光学仪器的正常使用；

(5)本发明探测器及光源体积小、安装简易，安装后不影响光学仪器本身的光学系统。

附图说明

图1为本发明的后向散射光信号探测部分组成框图；

图2为本发明原理示意图；

图3为本发明的测量控制电路组成框图；

图4a、4b和4c为本发明的电路原理图；

图5为本发明的单片机实现流程图；

图6为后相散射信号强度V与透过率T关系。

具体实施方式

如图1所示，本发明后向散射光信号探测部分包括：LED光源1、滤光片2、固定支架3、探测器4构成，LED安装仪器内部透镜后方中心位置，发光的方向指向透镜；探测器采用PIN光电二极管，通过固定支架固定在被测透镜后方中心位置，位于光源旁，探测器面源指向透镜表面。滤光片固定在探测器面源前端，滤除杂散光的影响。

如图3所示，本发明的测量控制电路组成包括：光源驱动电路、前置放大电路、滤波电路、信号解调电路、模数转换电路、单片机、输出接口电路、存储器电路。其中：

LED光源驱动电路，用于提供稳定的LED光源稳定工作电流，光源的开启、关闭由单片机进行控制。开启时，采用调制电路对光源进行调制，在工作状态下输出的是2.4K的脉冲光。前置放大电路采用高精度的运放A1，将光电探测器的电流信号转换成电压信号，由二级放大电路A2A放大。滤波电路，用于滤去不在调制波段上的干扰信号，运放A2B构成的二阶压控电压源带通滤波电路，把滤波网络接在集成运放的同相输入端，滤波范围为2300-2500HZ，刚好覆盖了调制信号所处的频带。信号解调电路，用于完成对信号的解调以及放大，采用芯片AD763对信号检波。模数转换电路，用于把采集到的后向散射光信号转换成数字量。RS-232通信接口电路，用于实现将透镜面污染程度的数据上传到监控计算机上，以便后台处理。单片机负责整个测量系统的控制功能，协调各个部分，完成测量过程，包括开启测量光源，进行采集控制，模数转化，判断污染程度及输出报警信号；

所述单片机启动测量程序，首先进行系统初始化。通过控制光源驱动电路，输出光功率稳定的光强，并进行了脉冲调制，调制频率为2.4K，波形为方波，形成高频脉冲光，用来去除杂散光的影响。同时，照在透镜表面的污染物产生后相散射光，被探测器接收，转化为电流信号，通过前置放大电路放大得到电压信号进行交流二次放大，经过滤波电路滤除非测量光引起的干扰信号，并通过解调电路进行信号解调，得到后相散射信号强度。在单片机的控制下，通过模数转电路换成数字信号进行存储记录，用V表示，利用一元线性回归方程(8)，求透镜的透过率T的线性回归方程：

T＝kV+b，(k是比例系数、b是方程截距)                    (8)

对该装置的实验中：首先，在镜头表面均匀的喷上一层灰尘粒子时，由于粒子对光的后向散射，原本低电位的信号产生了一个高电位的信号，随着将粒子渐渐吹去，信号电位又渐渐趋于降低，这就验证了其高灵敏度特性；然后，在镜头表面均匀的喷上一层不同厚度的灰尘粒子，模拟透镜在外界不同的受到污染的状态，并测量其透过率T、后相散射光信号强度V，实验中，分别测量了透过率在1、0.86、0.7、0.52四个点，对应的后向散射光强度是0.2V、1.16V、2.84V、5.04V。曲线如图6，横坐标是后向散射光信号的强度，纵坐标是测量出得透镜透过率，结果显示后向散射信号强度与镜头透过率具有很好的线性关系。

利用一元线性回归方程，得到电信号强度V关于透镜的透过率T的线性回归方程T＝-0.8976*V+0.9658。可以看出，强度与浓度的比值系数k为-0.8976，方程截距b是0.9658。当透过率低于50％时，透镜的污染程度相当严重了，不需进行计算了。

如图5所示，本发明中采用单片机89C52负责整个系统的控制功能，协调各个部分工作。系统上电或复位时，首先进行初始化操作，主要包括CPU工作时钟、A/D电路、串口接口电路、存储器初始化等操作。控制开启光源，等光源稳定后读取后向光强值，经过AD转换后与原来的基准值比较，如果后向散射光强度增加，说明有光学镜头上出现污染，根据前述的公式8判断污染程度。

具体实施中的电路结构如图4a，4b，4c所示，包括：

将光源LED的正极接端子X7，负极接地；89C52单片机启动后，完成初始化后，通过接线端LED_CONTR的高低电平控制LED的开启或关闭，当LED_CONTR为低时，功率管处于关闭状态，这时LED不发光，当进入测量周期，单片机输出高电平，LED_CONTR为高，由CD4047产生的2.4K的频率可以通过逻辑芯片D1C加载到后续的恒流源电路上。其中，2.4K的频率是由芯片CD4047产生的，它可以输出单稳态的高低电平。在管脚1和3，管脚2和3之间分别接一个电容和电阻，电容C2和电阻R30的值决定了CD4047单稳态时输出的脉冲宽度。把管脚4、8和14接到高电平上，管脚5、7、9和12连接到低电平上，管脚6作为CD4047单稳态输出的激励信号，下降沿激发管脚10和11进入单稳态状态。LED的功率管V3采用了大功率MOSFET管IRF640，与运放A4B构成恒定LED发光的压控电流源。

将PIN光电二极管正端挂地，负端接入TP6端，信号前置放大电路和信号探测器直接相连，采用低噪声前置放大运放A1(0PA602)，该运放其噪声小、稳定性好，并且符合增益和带宽的要求。A2A构成交流放大电路，对探测到的光信号进行放大，并且与前级通过交流隔直电容C18连接，作用是抑制背景干扰，消除探测器上的直流电平，将探测器的1/f噪声的干扰减至最小。为了降低噪声，本发明在上述前置放大电路的后级增加了由A2B构成的二阶压控电压源带通滤波电路，滤波范围为2300-2500HZ，刚好覆盖了调制信号所处的频带，具有所用元器件较少，性能调节比较方便，输出阻抗小等特点，滤波后的信号由A2B的7脚输出。

在信号解调电路中完成对信号的解调以及放大，如图4c。本发明中采用有效值检波的方式对信号进行解调，采用芯片信号为AD763，CA的容值决定了平均值时间常数，C2与内部R1电阻构成RC高通滤波器。U3运放LM318组成直流放大电路，便于后级的AD单元进行模数转换。

交流信号的有效值可由以下公式表达：

$V_0=\sqrt{\frac{1}{T}\underset{t_2}{\overset{t_1}{\∫}}{\left(v\left(t\right)\right)}^2\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

V₀-输出的有效值电压；

v(t)-输入信号电压；

T-选取的平均时间长度；

t₁、t₂-积分开始、结束的时刻；

由公式可知，有效值检波器应当首先把输入的瞬时电压平方，然后在一定平均时间内取平均值再开方，最后输出信号的均方根值。

信号从C1检波出来，在C1点进行AD模数转化，得到的数据进行透镜污染程度的判断。

RS-232通信接口电路由电平转换芯片MAX232、外围电路、串口接头组成。

本发明已经在能见度仪、大口径闪烁仪等仪器上试验使用。能见度仪是测量大气能见度的仪器，在气象、交通、环保领域有很广泛的应用，该仪器长时间安装在野外观测场、高速公路旁，透镜很容易受到灰尘等污染。大口径闪烁仪作为反演折射率结构常数的仪器，在气候、农林、遥感、水文方面有广泛的应用。该设备同样由于在外场长期使用，而且其光学镜头口径较大，也很易受到外界灰尘的污染。目前，在这两种光学仪器中，采用了本发明的光学透镜测污装置，可以实时提供镜头污染情况，便于及时维护、保障仪器的正常运行。

Claims (3)

1.一种光学透镜测污装置，包括光电信号探测部分和测量控制电路，其特征在于：所述光电信号探测部分由LED光源、探测器、滤光片、固定支架构成；LED光源通过固定支架安装在光学仪器内部被测透镜后面中心位置，LED光源的发射方向指向透镜；所述探测器通过固定支架安装在被测透镜后面中心位置，位于LED光源旁，探测器面源方向朝向透镜；滤光片固定在探测器面源前端，滤光片仅能通过LED光源波段的测量光，用于去除背景光的干扰；LED光源发出的测量光照射在透镜面上，透镜表面的污染物会产生后向散射光，探测器接收所述后向散射光信号后，由测量控制电路的放大、处理后得到透镜表面污染程度，在超过预警阀值时输出报警信号。

2.根据权利要求1所述的光学透镜测污装置，其特征在于：所述测量控制电路包括：单片机、光源驱动电路、前置放大电路、滤波电路、信号解调电路、模数转换电路、数据输出电路，其中：

光源驱动电路，用于提供LED光源稳定工作电流，并进行脉冲调制，产生频率在2.4k的脉冲光，光源的开启、关闭由单片机进行控制；

前置放大电路，将光电探测器的电流信号转换成电压信号，由二级放大电路放大后至滤波电路；

滤波电路，用于滤去干扰信号；

信号解调电路，用于完成对测量信号的解调以及放大，采用有效值检波的方式对信号进行解调；

模数转换电路，用于把采集到的后向散射光信号转换成数字量；

RS-232通信接口电路，实现将透镜污染程度数据上传到监控计算机上，以便后台处理；

单片机，负责整个测量系统的控制功能，协调各个部分，完成测量过程，包括开启测量光源，进行采集控制，模数转化，判断透镜表面污染程度及输出报警信号；具体实现为：测量时，单片机首先进行初始化，然后输出控制信号开启LED光源；光源驱动电路提供稳定的光功率输出，并进行脉冲调制，形成高频脉冲测量光，避免测量时受到杂散光的影响；光照在透镜表面的污染物上产生后相散射光被探测器接收，转化为电流信号后，并经过前置放大电路放大；经过放大的信号通过滤波电路滤除噪声，再通过解调电路进行信号解调，得到后相散射光信号强度，用V表示；然后通过模数转换成将V转换成数字信号进行存储，并利用一元线性回归方程T＝kV+b，求出透镜的透过率T；当透过率T超过警戒阀，即透镜表面污染程度被认为超过警戒阀值时，通过RS232串口电路输出报警信号，提醒需要进行透镜清洁。

3.根据权利要求1所述的光学透镜测污装置，其特征在于：所述探测器采用PIN光电二极管。

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