CN103344610A - 码分多址前向散射能见度检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了码分多址前向散射能见度检测装置和方法，属于大气能见度检测的技术领域。所述装置包括第一发射端、第一接收端、第二发射端、第二接收端，第一扩频码发生器、第二扩频码发生器。所述方法中,两个扩频码发生器产生不相关的正交扩频码；发射端发射具有正交扩频码特征的红外线；接收端以正交扩频码为参考量处理接收端光电转换得到的被测信号，得到红外线的光强信号，进而计算出大气能见度。本发明；避免用带通滤波器以及锁相放大器处理微弱信号，保证了控制参数的一致性，降低了能见度检测装置的制造成本；引入正交扩频码序列对接收端接收的信号进行修正，避免了两个发射端发送的信号相互干扰带来的不能同时测量双通道输出量的问题。

Description

码分多址前向散射能见度检测装置和方法

技术领域

本发明公开了码分多址前向散射能见度检测装置和方法，属于大气能见度检测的技术领域。

背景技术

现有的前向散射能见度检测装置有两种：只有一个发射端和一个接收端或者具有两个发射端和两个接收端。两种前向散射能见度测量仪均存在光信号的检测步骤。相对入射光线的光强接收到的散射光强度要低很多，甚至日光灯光等背景光线也要比散射光线强几个数量级，散射光信号通常会深埋在噪声中，这样不仅降低了检测系统的动态范围，同时也给系统的检测结果带来了非常大的误差，因此要将散射信号从背景噪声中分离出来就必须用到微弱信号的检测方法。

微弱信号的检测方法是在分析信号的规律(如自相关性、周期性、频谱等)和研究噪声的特点(如幅度、频率、统计特性等)的基础上，然后利用相关信号处理方法，将强噪声背景下的微弱信号提取并检测出来。在弱信号的检测中，信号往往很小，而且伴随的背景噪声很大，即被测量的信号信噪比很低。传统的检测方法是用压缩带宽来改善信噪比的，从噪声中设法检测出有用信号（现有技术一）。而常常用到的带通滤波器和选频谐振放大器就是很好的例子：如果被测信号为单频信号并且频率已知，则我们只要将带通滤波器的中心频率设计到和被测信号相同的频率，并压缩带通滤波器的带宽来提高Q值，就可以使频谱分布在通带两侧的噪声受到抑制，从而提高信号的信噪比。但是高Q值的带通滤波器在设计上较难实现，并且中心频率也不太稳定，而且Q值随信号频率的变化而改变，因此常规的带通滤波器或者选频谐振放大器对噪声的抑制作用是有限的。

锁相放大器(Lock-in Amplifier)是利用信号具有自相关性而信号与噪声间没有相关性的性质来提取有用信号滤出噪声的具体应用,它具有非常强的噪声抑制能力可将深埋在噪声中的微弱信号检测出来，且不存在普通带通滤波器很难做出很高品质因数的缺点。

综上所述：现有技术方案主要有以下不足：1）采用带通滤波器或者锁相放大器均涉及较多模拟电路器件，不易控制参数的一致性；2）对滤波器和锁相放大器有较高的精度要求，不利于降低整体解决方案的成本；3）性能指标取决于各种复杂的影响因素，不利于简化方案设计；4）在引入了双通道技术后，两个发送端发出的信号会互相干扰，无法对双通道进行同时测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了码分多址前向散射能见度检测装置和方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

码分多址前向散射能见度检测装置，包括第一发射端、第一接收端、第二发射端、第二接收端,第一扩频码发生器、第二扩频码发生器，其中，

所述第一发射端、第二发射端结构相同，包括扩频调制器、驱动电路、光发射器，所述驱动电路输入端与所述扩频调制器输出端连接，所述光发射器与所述驱动电路输出端连接；

所述第一接收端、第二接收端结构相同，包括光信号处理器、第一扩频解调装置、第二扩频解调装置，所述第一扩频解调装置、第二扩频解调装置的第一输入端分别与所述光信号处理器输出端连接；

所述第一发射端中的扩频调制器输入端，所述第一、第二接收端中的第一扩频解调装置的第二输入端分别与所述第一扩频码发生器输出端连接；

所述第二发射端中的扩频调制器输入端，所述第一、第二接收端中的第二扩频解调装置的第二输入端分别与所述第二扩频码发生器输出端连接。

所述码分多址前向散射能见度检测装置中,光信号处理器包括:依次连接的光电探测器、放大器、模数转换器。

利用所述码分多址前向散射能见度检测装置检测能见度的方法，包括如下步骤：

步骤1，第一扩频码发生器产生第一正交扩频码序列，第二扩频码发生器产生第二正交扩频码序列，所述第一正交扩频码序列、第二正交扩频码序列不相关；

步骤2，第一发射端发射具有第一正交扩频码序列特征的红外线，第二发射端发射具有第二正交扩频码序列特征的红外线；

步骤3，接收端处理接收到的红外光，得到前向散射信号和直达信号，具体包括如下步骤：

步骤3-1，光信号处理器对接收的红外线做光电转换处理得到被测信号；

步骤3-2，扩频调制装置以第一正交扩频码序列、第二正交扩频码为参考量，与被测信号做相关求和运算，得到前向散射信号和直达信号；

步骤4，采集第一接收端以及第二接收端的输出信号，计算出大气能见度。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)避免用带通滤波器以及锁相放大器处理微弱信号，保证了控制参数的一致性，降低了能见度检测装置的制造成本；

(2)通过引入正交扩频码序列，对接收端接收的信号进行修正，避免了两个发射端发送的信号相互干扰带来的不能同时测量双通道输出量的问题。

附图说明

图1为锁相放大器原理图。

图2为不同相位差下锁相放大器的输出信号。

图3为双相位锁相放大器的原理图。

图4为本发明涉及的码分多址前向散射能见度检测装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

锁相放大器的基本结构如图1所示，锁相放大器主要由相敏检波器和低通滤波器组成。相敏检波器(Phase Sensitive Detector，PSD)实质是个模拟乘法器(或称同步解调器)，主要作用是将被测信号Asin(ω₁t+θ₁)参考信号Bsin(ω₂t+θ₂))相乘(也可用方波信号作为参考信号)，其结果会出现被测信号与参考信号的差频项及和频项，再通过低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)滤除和频项 $\frac{\mathrm{AB}}{2}\cos [({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)t+({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)],$ 保留差频项 $\frac{\mathrm{AB}}{2}\cos [({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_2)t+({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2)].$ 如果低通滤波器的带宽（带宽为ω）很窄，只允许直流信号通过时，则此时只有ω₁=ω的信号才能通过，并且最后输出的直流量

与有用信号的幅度A成正比。用与有用信号频率相同的信号作为参考信号时，就可以将被测信号中的其他干扰信号滤除，达到强噪声背景下微弱信号检测的目的。可见，锁相放大器虽然可以用于检测微弱信号，但是对所加的参考信号有着严格的限制。因为在有用信号信号和参考之间的初相位差(θ₁-θ₂)不同时，PSD和LPF的输出都会有很大变化。

如图2所示，除了初相位差为0°之外，其他情况下都不能很好检测有用信号的大小。这就必须在参考信号和被测信号间加入移相电路，从而使二者的相位差为0°。但是能见度仪中用于接收的光电传感器PIN管和产生光源的红外二极管的特性受温度影响很大，延时参数变化较大，要跟踪此变化实时准确地调节相位差为0°有很多困难。因此省略掉移相电路，将参考信号的相位移动90°，并使用两个PSD来组成双相位锁相放大器(DLIA)。双相位锁相放大器的基本结构如图3所示。被测信号Asin(ωt+θ₁)分别和两个与有用信号频率相同且正交的参考信号sin(ωt+θ₂)、sin(ωt+θ₂-π/2)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。

为改进现有技术中的不足，本发明提出了如图4所示的码分多址前向散射能见检测装置，包括第一发射端、第一接收端、第二发射端、第二接收端、第一扩频码发生器、第二扩频码发生器。

第一发射端。第二发射端结构相同，包括扩频调制器、驱动电路、光发射器，驱动电路输入端与扩频调制器输出端连接，光发射器与驱动电路输出端连接。

第一接收端、第二接收端结构相同，包括光信号处理器、第一扩频解调装置、第二扩频解调装置，第一扩频解调装置、第二扩频解调装置的第一输入端分别与光信号处理器输出端连接。

第一发射端中的扩频调制器输入端，第一、第二接收端中的第一扩频解调装置的第二输入端分别与第一扩频码发生器输出端连接。

第二发射端中的扩频调制器输入端，第一、第二接收端中的第二扩频解调装置的第二输入端分别与第二扩频码发生器输出端连接。

第一接收端中：第一扩频解调装置输出第一发射端的的前向散射信号I11，第二扩频解调装置输出第二发射端直达信号I21。

第二接收端中，第一扩频解调装置输出第一发射端的直达信号I12，第二扩频解调装置输出第二发射端的前向散射信号I22。

码分多址前向散射能见度检测装置检测能见度的方法，包括如下步骤。

步骤1，第一扩频码发生器产生正交扩频码1，第二扩频码发生器产生正交扩频码2，所述正交扩频码1、正交扩频码2不相关；

第一扩频码发生器和第二扩频码发生器为两个正交扩频码发生器，同时产生两组相互正交的扩频码序列：正交扩频码1和正交扩频码2。这两组扩频码在一次能见度测量周期内满足正交性条件（互相关为零），并均具有良好的自相关特性；

具有如此特性的两路正交扩频码可以采用如下示例方式产生：

（1）一个能见度的测量周期为32768个码片；

（2）产生一个长度为32768个码片的m序列（最长线性反馈移位寄存器序列），并以该序列0转换为1、1转换为-1（BPSK调制）后作为正交扩频码1；

（3）正交扩频码2长度也为32768个码片，其中奇数位置码片与正交扩频码1相同，偶数位置码片与正交扩频码1符号相反（偶数位置码片正交扩频码2乘以-1），作为正交扩频码2。

步骤2，第一发射端发射具有正交扩频码1特征的红外线，第二发射端发射具有正交扩频码2特征的红外线；

第一发射端中：扩频解调器根据正交扩频码1产生具有正交扩频码1特征的脉冲信号，驱动电路在具有正交扩频码1特征的脉冲信号的激励下驱动光发射器发射红外线；

第二发射端中：扩频解调器根据正交扩频码2产生具有正交扩频码2特征的脉冲信号，驱动电路在具有正交扩频码2特征的脉冲信号的激励下驱动光发射器发射红外线。

步骤3，接收端处理接收到的红外光，得到前向散射信号和直达信号，具体包括如下步骤：

步骤3-1，光信号处理器对接收的红外线做光电转换处理得到被测信号；

步骤3-2，扩频调制装置以第一正交扩频码序列、第二正交扩频码为参考量，与被测信号做相关求和运算，得到前向散射信号和直达信号：

第一接收端中，第一扩频解调装置以正交扩频码1为参考量，与被测信号做相关求和运算得到第一发射端强度为I11的前向散射信号；第二扩频码调制装置以正交扩频码2为参考量，与被测信号做相关求和运算得到第二发射端强度为I21的直达信号；

第二接收端中，第一扩频解调装置以正交扩频码1为参考量，与被测信号做相关求和运算得到第一发射端强度为I12的直达信号；第二扩频解调装置以正交扩频码2为参考量，与被测信号做相关求和运算得到第二发射端强度为I22的前向散射信号。

步骤4，采集第一接收端以及第二接收端输出的光强信号，根据前向散射信号以及直达信号的关系计算出大气能见度。

综上所述，本发明所述的码分多址前向散射能见度检测装置和方法具有以下有益效果：

（1）避免用带通滤波器以及锁相放大器处理微弱信号，保证了控制参数的一致性，降低了能见度检测装置的制造成本；

（2）通过引入正交扩频码序列，对接收端接收的信号进行修正，避免了两个发射端发送的信号相互干扰带来的不能同时测量双通道输出量的问题。

Claims (3)

1.码分多址前向散射能见度检测装置，包括第一发射端、第一接收端、第二发射端、第二接收端，其特征在于，所述码分多址前向散射能见度检测装置还包括第一扩频码发生器、第二扩频码发生器，其中，

所述第一发射端、第二发射端结构相同，包括扩频调制器、驱动电路、光发射器，所述驱动电路输入端与所述扩频调制器输出端连接，所述光发射器与所述驱动电路输出端连接；

所述第一接收端、第二接收端结构相同，包括光信号处理器、第一扩频解调装置、第二扩频解调装置，所述第一扩频解调装置、第二扩频解调装置的第一输入端分别与所述光信号处理器输出端连接；

所述第一发射端中的扩频调制器输入端，所述第一、第二接收端中的第一扩频解调装置的第二输入端分别与所述第一扩频码发生器输出端连接；

所述第二发射端中的扩频调制器输入端，所述第一、第二接收端中的第二扩频解调装置的第二输入端分别与所述第二扩频码发生器输出端连接。

2.根据权利要求1所述的码分多址前向散射能见度检测装置，其特征在于，所述光信号处理器包括:依次连接的光电探测器、放大器、模数转换器。

3.利用权利要求1或2所述的码分多址前向散射能见度检测装置检测能见度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，第一扩频码发生器产生第一正交扩频码序列，第二扩频码发生器产生第二正交扩频码序列，所述第一正交扩频码序列、第二正交扩频码序列不相关；

步骤2，第一发射端发射具有第一正交扩频码序列特征的红外线，第二发射端发射具有第二正交扩频码序列特征的红外线；

步骤3，接收端处理接收到的红外光，得到前向散射信号和直达信号，具体包括如下步骤：

步骤3-1，光信号处理器对接收的红外线做光电转换处理得到被测信号；

步骤3-2，扩频调制装置以第一正交扩频码序列、第二正交扩频码为参考量，与被测信号做相关求和运算，得到前向散射信号和直达信号；

步骤4，采集第一接收端以及第二接收端的输出信号，计算出大气能见度。

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