CN102507502A - 多角度前向散射式能见度测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多角度前向散射式能见度测量仪，包括发射端、接收端和控制系统，其中，发射端包括调制电路和光源发射单元，接收端包括光电转换单元和信号处理电路。在调制电路作用下，光源发射单元发出一束固定频率的光脉冲，发射光经过大气的散射后，由安装在前向散射方向上的三个光电转换单元进行接收并转换为电信号，通过信号处理电路检测出微弱的被测信号，经过A/D芯片将被测信号采集出来，由ARM嵌入式控制系统计算出相应的气象能见度；本发明采用不同散射相因子对应不同散射相函数，提高了能见度的精度，采用三个散射角20°、35°和50°来接受散射信号，通过三个能见度值的对比来判断光电探测器的故障问题，提高了能见度仪的可靠性。

Description

多角度前向散射式能见度测量仪

技术领域

本发明属于能见度测量技术领域，尤其涉及一种用于测定高速公路能见度的多角度前向散射式能见度测量仪。

背景技术

在气象学中，能见度是指物体能够被清楚的识别的最大距离。能见度的测量目前有目测法，也有使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等进行测量。美国在能见度仪器的理论研究方面起步较早，应用也早。美国科技经济的发达及航空航天的发展使美国对能见度仪器的开发研制较为重视。美国有许多公司都在开发研制各种能见度仪，如EG&G环境公司、Handar公司、Hss公司、卡尔科学公司等。德国的能见度仪器在世界上享有很高的声誉，德国的Impulsphysik公司研制的各类能见度仪器被许多国家使用，应用领域也非常广泛。该公司科研与生产紧密结合，公司每一代产品的出现都是某种理论、技术的最新产物。芬兰的Vaisala公司的MITRAS透射表，FD12P散射仪在世界许多国家都有一定的市场，尤其是不断改进的前向散射仪FD12P性能可靠、稳定，适用领域广。我国能见度仪器研制起步晚，研制过程缓慢，加上各种技术水平落后，因此无论从技术水平还是产品工艺上，都需要做进一步细致的工作。

低能见度是个模糊概念，二值逻辑不能对其进行客观描述。不同交通工具及不同速度条件下对这一概念隶属度的设定是不同的，例如在机场、高速公路、普通公路上对低能见度的界定差异是明显的。就高速公路而言，能见度小于500m需预警；小于200m因不能确保200m车距要求已容易发生事故，需采取相应措施；当能见度小于50m时极易发生交通事故，必须采取更为严格的措施。

目前能见度仪器主要包括透射式、散射式(前向散射式、后向散射式)、摄像型、激光雷达等。透射式能见度仪要已知基线，占地范围大，场地要求高，测量基线的安装工艺要求高，价格昂贵，故不适用于高速公路环境；摄像型能见度仪，其图像采集标准有待进一步细化，图像处理与识别技术有待进一步改进，其难以提供雾的生、消脉动信号；激光雷达设备成本较高，因浓雾对入射光的吸收、衰减量大，多数发射功率较大；后向散射能见度仪对于高速公路的雾等粒子，米氏散射的后向散射能量相对较小，对仪器的灵敏性有一定影响，所需发射的光功率较前向散射仪大，易受外界杂光干扰，测量信号很大程度上依赖于视觉障碍(雨、雪、雾、霭等)，必须作天气定标函数后才能进行精确测量，使得实际操作复杂化。故有必要设计提供一种可避免上述缺陷的能见度测量仪。

发明内容

本发明创作的目的在于提供一种多角度前向散射式能见度测量仪，主要解决目前的能见度测量仪检测精度低，稳定性不好，成本过高，操作复杂的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种多角度前向散射式能见度测量仪，包括：发射端、接收端以及控制系统；其中，所述发射端、接收端以及控制系统依次连接。发射端包括调制电路和光源发射单元，接收端包括光电转换单元和信号处理电路。在调制电路作用下，光源发射单元发出一束固定频率的光脉冲，发射光经过大气的散射后，由光电转换单元进行接收并转换为电信号，通过信号处理电路对微弱的被测信号进行处理，经过A/D芯片将被测信号采集出来，并由ARM嵌入式控制系统计算出相应的气象能见度。

进一步地，所述接收端采用20°、35°和50°三个散射角来接受散射信号。

进一步地，所述光源发射单元包括有比较器、三极管和发光二极管。

进一步地，所述光电转换单元包括有滤波片、光学透镜和光电探测器。

进一步地，所述信号处理电路包括有依次连接的程控增益放大电路、带通滤波电路、以及双相位锁相放大器；其中，双相位锁相放大器包括有调制电路、移相电路、相敏检波和低通滤波电路。

本发明提出的多角度前向散射式能见度检测方法，其步骤如下：

(1)采用固定频率的方波对发射光源进行调制，使后续的锁相放大电路能够在较大的噪声背景下提取出前向散射信号，同时得到与调制信号同频率的信号作为后续锁相放大电路的参考信号；

(2)发射端发出的光经过大气的前向散射被三个不同角度的接收端接收；

(3)将接收端接收到的大气前向散射光信号变换处理成直流电压信号，经数据采集后进入控制系统；

(4)控制系统经过数据处理得到大气气溶胶颗粒的消光系数，转换后得到高速公路的能见度值，最后通过散射相函数对其校准，得到精确的能见度值。

相较于现有技术，本发明创作以散射相因子来判断引起能见度变化的天气情况(雨、雪、沙尘、雾)，采用不同散射相因子对应不同散射相函数，可进一步提高能见度的精度；采用三个散射角来接受散射信号，取其中两个最为接近的能见度值的平均值来作为测量值，使数据更精确；另外，其采用三个散射角20°、35°和50°来接受散射信号，可通过三个能见度值的对比来判断光电探测器的故障问题，便于及时维护，提高了能见度仪的可靠性。

附图说明

图1是本发明创作的光路原理图。

图2是本发明创作的总体结构原理图。

图3是本发明创作的发射端电路原理图。

图4是本发明创作的接收端电路原理图。

具体实施方式

为了使本创作的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本创作进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1所示，多角度前向散射原理如下：发射端的发光二极管1发出的光经过凸透镜2进入大气，发射光经过大气6的散射后，为了使接收端中光电传感器接收的光信号基本全部来源于近红外二极管，减小日光和灯光对光电传感器的影响，在光电三极管(10、11、12)前加一个红外滤波片(7、8、9)，滤除可见光，然后通过凸透镜(3、4、5)聚光后被光电三极管(10、11、12)接收，经过光电转换后进而得到20°、35°和50°方向上的散射光强。

参照图2所示，本发明多角度前向散射式能见度测量仪包括依次连接的调制电路13、光源发射单元14、光电转换单元(15、16、17)、信号处理电路和控制系统27。其中信号处理电路包括程控增益放大电路(18、19、20)、带通滤波器(21、22、23)和双相位锁相放大器(24、25、26)；所述光电转换单元(15、16、17)安装于前向散射方向上。工作时，在调制电路13的作用下，由光源发射单元14发出一束频率为3kHz左右的光脉冲，发射光经过大气6的散射后，由安装在前向散射角为20°、35°和50°方向上的光电转换单元(15、16、17)进行接收，通过信号处理单元中的程控增益放大电路(18、19、20)将信号放大到适当倍数，然后通过信号处理单元中的带通滤波器(21、22、23)滤除部分干扰信号和噪声信号，再由信号处理单元中的双相位锁相放大器(24、25、26)将微弱的被测信号检测出来，最后由控制系统27进行信号采集，进一步信号处理后得到相应的气象能见度值并进行显示以及传输。

参照图3所示，发射端包括依次连接的调制电路13、比较器28、三极管29和发光二极管1。其中，移相电路30用于接收端。红外发光二极管1位于光学透镜中心，起到光束会聚的作用。为了使后续的锁相放大电路(24、25、26)能够在较大的噪声背景下提取出前向散射信号，采用固定频率的方波对发射光源进行调制，并同时得到与调制信号同频率的信号作为后续锁相放大电路的参考信号。调制电路13中，对发射光源采用3kHz的方波进行调制。

参照图4所示，接收端包括依次连接的光电三极管(10、11、12)、程控增益放大(18、19、20)、带通滤波(21、22、23)、移相电路30、相敏检波(31、32)和低通滤波(33、34)。光电三极管(10、11、12)将大气微粒散射的红外脉冲光信号转换成电信号，程控增益放大电路(18、19、20)对微弱的电信号进行放大处理，保证淹没在噪声中的散射信号能够被数据采集卡量化，保证数据采集卡输入端的电信号在一个合适的范围。综合芯片可提供选择的放大倍数以及芯片灵敏度、电源电压范围、噪声等方面的考虑，采用PGA204和PGA205的程控增益放大器级联来完成程控增益；带通滤波电路(21、22、23)可以滤除部分干扰信号和噪声信号。光电转换后的电信号，不但含有前向散射光的信号，还含有自然光、其他因素等的转化信号和白噪声、工频、器件本身的噪声干扰，其中以工频干扰为主。为了从光电转换信号里提取有用的电信号，滤除工频的干扰，让光电信号通过一个带通滤波电路。由于带通滤波电路容易产生自激振荡，所以带通滤波电路由高通滤波电路和低通滤波电路组成；锁相放大电路(24、25、26)可以从干扰信号中提取被测信号，其主要包括有：信号通道、参考通道和相敏检波。信号通道对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声作初步的窄带滤波；参考通道通过锁相和移相提供一个与被测信号同频同相的参考电压；相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成，输入信号与参考信号在相敏检波器中混频，得到一个与频差有关的输出信号，经过低通滤波器后得到一个与输入信号幅度成比例的直流输出分量。本发明利用的是双相位锁相放大器，被测信号分别和两个与有用信号频率相同且正交的参考信号相乘，相乘后的信号分别通过两个数字低通滤波器滤出高频分量，得到两个反相的直流分量，然后通过运算得到有用信号的幅度A。

通过得到的A计算得到高速公路的大气气溶胶消光系数，可得能见度值，最后根据对散射相函数的修正，来校准能见度值。

本发明创作的原理如下：

世界气象组织规定：对于气象能见度，视觉阈值取ε＝0.05，以眼睛最敏感的绿光(波为550nm)作为能见度观测的参考波长，大气能见度与大气消光系数之间的关系为：

$V=\frac{-\ln \left(0.05\right)}{\mathrm{\σ}}=\frac{2.996}{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

世界气象组织定义能见度时采用的入射光线为人眼最敏感的550nm的可见光，而前向散射法测量能见度采用的入射光对为近红外光，由于二者波长有一定差异导致了尺度参数α参数的变化，从而使得测量得到的能见度与气象能见度之间有误差，必须进行波长修正。具体修正公式如下：

$V=V_0{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{550}\right)}^q---\left(2\right)$

式中V为要得到的气象能见度，V₀为前向散射法测量得到的能见度，λ为散射式能见度仪所采用的红外光的波长850nm，q的取值根据天气变化取值：当天气晴朗时，q＝1.6；当一般晴朗时，q＝1.3；当能见度较低(雨、雪、雾、沙尘)时，q＝0.0585V^1/3。

综上所述，能见度值表达式为：

$V=V_0{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{550}\right)}^q=\frac{2.996P\left(\mathrm{\θ}\right)}{I\left(\mathrm{\θ}\right)/I_0}{\left(\frac{850}{550}\right)}^q=\frac{2.996}{{\mathrm{\δ}}_s}*{1.545}^{0.585V^{1/3}}---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_s=\frac{2.996}{V}*{0.647}^{0.58V^{\frac{1}{3}}}---\left(4\right)$

根据Mie散射理论，散射角为θ时(θ在20°-50°之间)大气粒子的散射光强度I(θ)与大气颗粒散射系数σ_s、散射相函数P(θ)和入射光强I₀之间存在线性关系：

${\mathrm{\σ}}_s=\frac{P\left(\mathrm{\θ}\right)I_0}{I\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(5\right)$

在前向散射角度20-50度之间，不同气溶胶颗粒或雨雪的散射相函数P(θ)的变化十分接近，理想情况是取常数1。

在任何天气条件下，入射光强不变时：

$\frac{P\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{P\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}=\frac{I\left({\mathrm{\θ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\θ}}_2\right)}---\left(6\right)$

设k为散射相因子

在此以20°与50°的前向接收端的散射光强比来表征散射相因子的值，不同天气条件(雨、雪、沙尘、雾)下空气中颗粒物(雨滴颗粒、雪颗粒、沙尘颗粒、雾颗粒)的大小不一样，其散射相函数变化虽然相近，但是其曲线有较大的差距。在此以散射光强之比来表征不同的天气条件，以k₀、k₁、k₂、k₃、k₄来表示正常天气、雨、雪、沙尘、雾的散射相因子，同时以P₀、P₁、P₂、P₃、P₄来表示正常天气、雨、雪、沙尘、雾的散射相函数，以此区分不同天气下的能见度表达式，从而提高能见度的精度。在确定的天气下，k的变化范围不大，比较稳定，且不同天气条件下k的范围不同。当k确定时可判断出天气现象，散射相函数P也确定，依据公式(5)求出散射系数σ_s，再依据公式(3)求出能见度值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多角度前向散射式能见度测量仪，其特征在于，包括：发射端、接收端以及控制系统；其中，所述发射端、接收端以及控制系统依次连接；所述发射端包括调制电路和光源发射单元，所述接收端包括光电转换单元和信号处理电路；在调制电路作用下，光源发射单元发出一束固定频率的光脉冲，发射光经过大气的散射后，由光电转换单元进行接收并转换为电信号，通过信号处理电路对微弱的被测信号进行处理，经过A/D芯片将被测信号采集出来，并由ARM嵌入式控制系统计算出相应的气象能见度。

2.如权利要求1所述的多角度前向散射式能见度测量仪，其特征在于：所述接收端采用20°、35°和50°三个散射角来接受散射信号。

3.如权利要求2所述的多角度前向散射式能见度测量仪，其特征在于：所述光源发射单元包括有比较器、三极管和发光二极管；所述光电转换单元包括有滤波片、光学透镜和光电探测器。

4.如权利要求3所述的多角度前向散射式能见度测量仪，其特征在于：所述信号处理电路包括有依次连接的程控增益放大电路、带通滤波电路、以及双相位锁相放大器；其中，双相位锁相放大器包括有调制电路、移相电路、相敏检波和低通滤波电路。

5.一种多角度前向散射式能见度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用固定频率的方波对发射光源进行调制，使后续的锁相放大电路能够在较大的噪声背景下提取出前向散射信号，同时得到与调制信号同频率的信号作为后续锁相放大电路的参考信号；

(2)发射端发出的光经过前向散射被三个不同角度的接收端接收；

(3)将接收端接收到的前向散射光信号变换处理成直流电压信号，经数据采集后进入系统控制单元；

(4)控制系统经过数据处理得到大气气溶胶颗粒的消光系数，转换后得到高速公路的能见度值，最后通过散射相函数对其校准，得到精确的能见度值。

6.根据权利要求5所述的多角度前向散射式能见度检测方法，其特征在于：以散射相函数因子k来判断天气现象(雨、雪、雾)及其等级，并以散射相因子来判断引起能见度变化的天气情况。

7.根据权利要求5所述的多角度前向散射式能见度检测方法，其特征在于：采用不同散射相因子对应不同散射相函数，可进一步提高能见度的精度。

8.根据权利要求5所述的多角度前向散射式能见度检测方法，其特征在于：采用三个散射角来接受散射信号，取其中两个最为接近的能见度值的平均值来作为测量值，使数据更精确。

9.根据权利要求5所述的多角度前向散射式能见度检测方法，其特征在于：采用三个散射角20°、35°和50°来接受散射信号，可通过三个能见度值的对比来判断光电探测器的故障问题。

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