CN103969223A - 一种测量雾霾天气大气能见度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量雾霾天气大气能见度的装置，包括同步信号模块以及依次相连的发射机模块、接收机模块、信号处理模块，所述同步信号模块分别与发射机模块、接收机模块相连。在发射机模块采用光信号反馈电路，提高发射管发射功率的稳定，而接收机模块中同时采用抑制太阳背景光电路及锁相积分电路，具有高的接收灵敏度及信噪比。本发明结构设计简单，安装方便，性能工作稳定，内部设计中具有防雷击保护功能，抗雷击能力强；且应用范围广，适用于航空、航海、交通，可以起到实时监测能见度的功能。

Description

一种测量雾霾天气大气能见度的装置

技术领域

本发明涉及一种测量雾霾天气大气能见度的装置，属于大气科学技术领域。

背景技术

能见度作为一个气象要素，对航空、航海、陆上交通及军事活动都有重要影响。能见度的定义为：正常视力的人在当时天气条件下，从天气背景中能看到或辨认出目标物的最大水平能见距离。引起其降低的主要因素是物体和背景之间对比度的减小，以及细粒子和气态污染物对光的吸收和散射，这些因素会使来自物体的光信号减弱影响。

根据国际惯例，可见距离VR（Visual Range,m)定义为当来自物体辐射只剩2%时，物体与观测点之间的距离。VR的值可由Koschmiederps公式计算，由于雾对光波的散射衰减是造成能见度降低的因素，并且这种衰减作用与雾的浓度及谱分布有关（即与大气中的液体或固态水含量有关），这就构成了雾的含水量与消光系数的关系。

世界气象组织（WMO）建议采用一种衡量大气光学状态的光学量度，并定义如下：白炽灯在色温度2700k时发出的平行光柱，通过大气时光通量减少到初始值的0.05时的路径长度，即为气象光学视距（MOR）。而气象光学视距（MOR）取决于大气的消光系数，因此只要精确测定大气消光系数，即可得出气象光学视距MOR。

本发明通过观测雾、霾、沙尘暴等天气下能见度的变化，可以反推出雾霾浓度，为气象实时监测提供参考作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量雾霾天气大气能见度的装置，利用光前向散射的原理，通过连接测量有限体积空气的散射光强，估计大气消光系数即确定大气能见度。本发明装置的应用范围广，适用于航空、航海、交通领域，能够实时监测能见度的大小。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种测量雾霾天气大气能见度的装置，包括发射机模块、接收机模块、同步信号模块、信号处理模块；

所述发射机模块用于输出平行红外脉冲信号，该平行红外脉冲信号经过雾霾后发生散射光，被接收机模块接收；

所述接收机模块用于对接收到的雾霾散射光进行处理，处理得出的频率信号输出至信号处理模块进行信号处理；

所述同步信号模块提取发射机模块中的发射脉冲调制信号传输至接收机模块，用于作为接收机模块中锁相积分的基准，从而滤除雾霾散射光信号中的噪声，提高接收机模块的信噪比；

所述信号处理模块用于对接收机模块输出的频率信号进行处理，计算出对应能见度值；同时，相隔一定时间向发射机模块发送控制信号，使发射机模块相隔一定时间发射一次红外脉冲信号，并在停止发射信号期间，记录接收机模块传输的频率信号作为背景噪声，在信号处理时将背景噪声信号减掉，从而进一步提高能见度测量精度。

所述发射机模块包括第一光学凸透镜、发射脉冲形成电路、光信号反馈电路，其中：

所述发射脉冲形成电路包括晶振源、分频器、与非门电路、发射驱动电路、红外发射管，所述晶振源经分频器形成发射脉冲调制信号，发射脉冲调制信号经过与非门电路传输至发射驱动电路，从而促使红外发射管发射红外光信号；

所述光信号反馈电路包括红外接收管、第一前置放大电路、检波电路、第一放大电路，所述红外接收管将接收到的红外发射管发出的红外光信号转换为电信号后，经第一前置放大电路进行放大处理后送入检波电路，检波电路将交流信号转换成直流信号，再送入第一放大电路进行放大处理，从而控制发射驱动电路，进而控制发射管的发射功率，形成负反馈网络促使红外发射管发出稳定的红外光信号；

所述红外发射管发射的红外光信号通过第一光学凸透镜聚焦在光学凸透镜的焦点上，最终输出平行的红外脉冲信号。

所述接收机模块包括第二光学凸透镜、光电接收二极管、第二前置放大电路、锁相积分电路、第二放大电路、线性检波电路、压频变换电路、光电隔离电路；雾霾散射光通过所述接收机模块中的第二光学凸透镜聚焦在光学凸透镜的焦点上，通过光电接收二极管将雾霾散射光光信号转化为电信号，通过第二前置放大电路将光电接收二极管输出的电信号进行放大并抑制太阳背景光，通过锁相积分电路将前置放大后的电信号进行锁相积分以滤除噪声，通过第二放大电路将锁相积分后的电信号进行放大，通过线性检波电路将放大后的电信号转化为直流信号，通过压频变换电路将直流信号转化为频率信号，通过光电隔离电路将频率信号传输至信号处理模块进行处理。

所述同步信号处理模块与发射机模块中的与非门电路相连，提取与非门电路处理后的发射脉冲调制信号，传输至接收机模块中的锁相积分电路，使锁相积分电路以此电信号为基准进行锁相积分，从而滤除雾霾散射光信号中的噪声。

所述信号处理模块包括依次相连的CPLD芯片、单片机、通讯接口，所述CPLD芯片对接收到的接收机模块所传输的频率信号进行处理，计算出对应的能见度值，单片机将能见度值进行数据转换后通过通讯接口实现距离传输功能；同时，所述CPLD芯片相隔一定时间向发射机模块中的与非门电路发送控制信号，用以控制发射机模块发射平行红外脉冲信号。

作为本发明的进一步优化方案，所述晶振源为6MHz，经过所述分频器后形成2.3kHz的发射脉冲调制信号。

作为本发明的进一步优化方案，所述一定时间为10s。

作为本发明的进一步优化方案，所述第一、第二光学凸透镜上均镀有净水膜。

作为本发明的进一步优化方案，所述红外发射管采用波长为930nm的红外发光二极管，其发光功率为40mw。

作为本发明的进一步优化方案，所述信号处理模块还包括数据存储器、日历时钟，用以实现数据存储功能。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明的光学结构设计，采用光学透镜渡净水膜，在镜片上没有水珠，提高信号接收的灵敏度及信噪比；

（2）本发明的发射机电路采用光信号反馈电路，提高发射管发射功率的稳定，提高整机性能的稳定性；

（3）本发明接收机电路设计中采用抑制太阳背景光抑制电路及锁相积分电路，具有提高的接收灵敏度及信噪比的特点；

（4）本发明的整机结构设计简单，安装方便，性能工作稳定，内部设计中具有防雷击保护功能，抗雷击能力强；

（5）本发明应用范围广，适用于航空、航海、交通，实时监测能见度的大小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是发射机模块的结构示意图。

图3是发射脉冲形成电路示意图。

图4是光信号反馈电路结构示意图。

图5是发射驱动电路示意图。

图6是接收机模块结构示意图。

图7是信号处理模块结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计一种测量雾霾天气大气能见度的装置，如图1所示，包括发射机模块、接收机模块、同步信号模块、信号处理模块；其中：

所述发射机模块用于输出平行红外脉冲信号，该平行红外脉冲信号经过雾霾后发生散射光，被接收机模块接收；

所述接收机模块用于对接收到的雾霾散射光进行处理，处理得出的频率信号输出至信号处理模块进行信号处理；

所述同步信号模块提取发射机模块中的发射脉冲调制信号传输至接收机模块，用于作为接收机模块中锁相积分的基准，从而滤除雾霾散射光信号中的噪声，提高接收机模块的信噪比；

所述信号处理模块用于对接收机模块输出的频率信号进行处理，计算出对应能见度值；同时，相隔一定时间向发射机模块发送控制信号，使发射机模块相隔一定时间发射一次红外脉冲信号，并在停止发射信号期间，记录接收机模块传输的频率信号作为背景噪声，在信号处理时将背景噪声信号减掉，从而进一步提高能见度测量精度。

所述发射机模块如图2所示，包括第一光学凸透镜、发射脉冲形成电路、光信号反馈电路。发射机模块用于发射红外光脉冲信号，其光学部分中采用第一光学凸透镜，并在第一光学凸透镜上渡有净水膜，将红外发射管的发光点置于凸透镜的焦点上，使发出的红外光为一平行光束。红外发射管采用波长为930nm的红外发光二极管，发光功率 40mw。

所述发射脉冲形成电路包括所述发射脉冲形成电路包括晶振源、分频器、与非门电路、发射驱动电路、红外发射管，所述晶振源经分频器形成发射脉冲调制信号，发射脉冲调制信号经过与非门电路传输至发射驱动电路，从而促使红外发射管发射红外光信号。

所述光信号反馈电路包括红外接收管、第一前置放大电路、检波电路、第一放大电路，所述红外接收管将接收到的红外发射管发出的红外光信号转换为电信号后，经第一前置放大电路进行放大处理后送入检波电路，检波电路将交流信号转换成直流信号，再送入第一放大电路进行放大处理，从而控制发射驱动电路，进而控制发射管的发射功率，形成负反馈网络促使红外发射管发出稳定的红外光信号。

所述红外发射管发射的红外光信号通过第一光学凸透镜聚焦在光学凸透镜的焦点上，最终输出平行的红外脉冲信号。

本发明中发射脉冲形成电路的一实施例如图3所示，其中，6MHz晶振、与非门芯片74HC00、电阻R1、电容C1、电容C2构成6MHz晶振源；十进制计数器芯片74HC390、八分频芯片74HC393、与非门芯片74HC00构成分频器；与非门芯片74HC00构成与非门电路。PCON为信号处理电路发出的控制信号，由与非门电路中74HC00芯片的引脚13输入，控制发射机模块红外脉冲信号的发射与停止。与非门电路中74HC00芯片的引脚11将输出2.3kHz的红外发射脉冲调制信号。

本发明中光信号反馈电路的一实施例如图4所示，红外接收二极管VD1实现对发射信号中的光信号进行取样的功能。集成运放ICA电路和集成运放ICB电路构成前置放大电路I，将红外二极管VD1取样后的信号进行放大，然后送入检波电路。集成运放ICA电路包括型号为LM385的集成运放芯片ICA、电阻R3、电阻R4、电阻R9，其中，电阻R3和电阻R4相互串联，其公共端接集成运放ICA的正输入端，ICA负输入端连接自身输出端，电阻R9连接在ICA的输出端以及集成运放ICB的正输入端；集成运放ICB电路包括型号为LM385的集成运放芯片、电阻R7、电阻R8、电容C4，其中，电阻R7和R8相互串联，连接在集成运放ICA的输出端同集成运放ICB的输出端之间，电容C4并联在电阻R8两端。

检波电路的功能是将前置放大电路I输出的交流信号转换成直流信号，由反向放置的二极管D1、二极管D2、电阻R10、电阻R11、可变电阻R17、电容C5、电容C6构成。电容R10连接在集成运放ICB的输出端和三极管Q1的发射极之间，电容C5、二极管D1、可变电阻R17依次串联后并联于电阻R10 的两端，二极管D2反向端连接电容C5和二极管D1的公共端，电容C6一端连接二极管D2的正向端，另一端接可变电阻R17同电阻R10的公共端，电阻R11一端接二极管D2的正向端，另一端接信号VD2，电阻R14一端接电容C6和电阻R11的公共端，另一端接集成运放ICD的正输入端。

集成运放ICC电路和集成运放ICD电路构成对放大电路I，用于将检波电路输出的的直流信号进行放大，从而将集成运放ICD的输出信号ACON发送至至发射驱动电路。集成运放ICC电路包括型号为LM385的集成运放芯片ICC、电阻R12、电阻R13、二极管D3，电阻R12和R13相互串联，其公共端接集成运放ICC的正输入端，二极管D3的正向端接电阻R13的非公共端，反向端接集成运放ICC的输出端；集成运放ICD电路包括型号为LM385的集成运放芯片ICD、电阻R15、电阻R16、电容C7，电容C7和电阻R16相互并联在集成运放ICD的负输入端和输出端之间，电阻R15连接在集成运放ICD的负输入端和集成运放ICC的输出端之间。

本发明中发射驱动电路的一实施例如图5所示，发射驱动电路由电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C8、电容C9、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4构成，用于促使红外发射二极管VD2发射红外光信号。ACON为电路的输入信号，电容C8和电阻R18串联后连接在三极管Q2的基极和三极管Q3的发射极之间；三极管Q2的集电极和红外二极管VD2的正向端相连接，由+5V电源供电；电阻R3和电阻R4串联后连接在三极管Q2的发射极和三极管Q3基极之间，电阻R19和电阻R21的公共端接三极管Q3的集电极，三极管Q3的发射极接电阻R20的一端，电阻R20的另一端接发射脉冲形成电路的输出信号VD1；三极管Q4的集电极接红外发射二极管VD2的反向端以及电容C9的一端，电容C9的另一端接三极管Q4的基极，电阻R22串接在三极管Q4的发射极以及三极管Q3的发射极之间。

本发明中所述接收机模块如图6所示，第二光学凸透镜、光电接收二极管、第二前置放大电路、锁相积分电路、第二放大电路、线性检波电路、压频变换电路、光电隔离电路；雾霾散射光通过所述接收机模块中的第二光学凸透镜聚焦在光学凸透镜的焦点上，通过光电接收二极管将雾霾散射光光信号转化为电信号，通过第二前置放大电路将光电接收二极管输出的电信号进行放大并抑制太阳背景光，通过锁相积分电路将前置放大后的电信号进行锁相积分以滤除噪声，通过第二放大电路将锁相积分后的电信号进行放大，通过线性检波电路将放大后的电信号转化为直流信号，通过压频变换电路将直流信号转化为频率信号，通过光电隔离电路将频率信号传输至信号处理模块进行处理。

本发明中所述同步信号处理模块与发射机模块中的与非门电路相连，提取与非门电路处理后的发射脉冲调制信号，传输至接收机模块中的锁相积分电路，使锁相积分电路以此电信号为基准进行锁相积分，从而滤除雾霾散射光信号中的噪声。

本发明中所述信号处理模块包括CPLD芯片、单片机、通讯接口，所述CPLD芯片对接收到的接收机模块所传输的频率信号进行处理，计算出对应的能见度值，单片机将能见度值进行数据转换后通过通讯接口实现距离传输功能；同时，所述CPLD芯片相隔一定时间向发射机模块中的与非门电路发送控制信号，用以控制发射机模块发射平行红外脉冲信号。

在本发明的一实施例中，如图7所示，所述CPLD芯片的型号为XC95144，所述单片机的型号为8032，所述通讯接口采用RS485或RS232。其工作过程是：所述接收机模块输出的频率信号通过I/O接口输入XC95144芯片，XC95144通过信号控制端口输出一路控制信号，用于控制发射机模块发射平行红外脉冲信号；XC95144通过运行将接收的频率值转换为对应的能见度值，当能见度越低时，对应的频率越高。该能见度值可以通过同XC95144相连的8032单片机进行数据转换后，通过通讯接口RS485或RS232，实现距离传输功能。此外，能见度值还能通过32K数据存贮器和日历时钟实现存储功能，以便随时调查历史记录。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，该装置包括发射机模块、接收机模块、同步信号模块、信号处理模块；

所述发射机模块用于输出平行红外脉冲信号，该平行红外脉冲信号经过雾霾后发生散射光，被接收机模块接收；

所述接收机模块用于对接收到的雾霾散射光进行处理，处理得出的频率信号输出至信号处理模块进行信号处理；

所述同步信号模块提取发射机模块中的发射脉冲调制信号传输至接收机模块，用于作为接收机模块中锁相积分的基准，从而滤除雾霾散射光信号中的噪声，提高接收机模块的信噪比；

所述信号处理模块用于对接收机模块输出的频率信号进行处理，计算出对应能见度值；同时，相隔一定时间向发射机模块发送控制信号，使发射机模块相隔一定时间发射一次红外脉冲信号，并在停止发射信号期间，记录接收机模块传输的频率信号作为背景噪声，在信号处理时将背景噪声信号减掉，从而进一步提高能见度测量精度。

2.根据权利要求1所述的一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，所述发射机模块包括第一光学凸透镜、发射脉冲形成电路、光信号反馈电路，其中：

所述发射脉冲形成电路包括晶振源、分频器、与非门电路、发射驱动电路、红外发射管，所述晶振源经分频器形成发射脉冲调制信号，发射脉冲调制信号经过与非门电路传输至发射驱动电路，从而促使红外发射管发射红外光信号；

所述光信号反馈电路包括红外接收管、第一前置放大电路、检波电路、第一放大电路，所述红外接收管将接收到的红外发射管发出的红外光信号转换为电信号后，经第一前置放大电路进行放大处理后送入检波电路，检波电路将交流信号转换成直流信号，再送入第一放大电路进行放大处理，从而控制发射驱动电路，进而控制发射管的发射功率，形成负反馈网络促使红外发射管发出稳定的红外光信号；

所述红外发射管发射的红外光信号通过第一光学凸透镜聚焦在光学凸透镜的焦点上，最终输出平行的红外脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，所述接收机模块包括第二光学凸透镜、光电接收二极管、第二前置放大电路、锁相积分电路、第二放大电路、线性检波电路、压频变换电路、光电隔离电路；雾霾散射光通过所述接收机模块中的第二光学凸透镜聚焦在光学凸透镜的焦点上，通过光电接收二极管将雾霾散射光光信号转化为电信号，通过第二前置放大电路将光电接收二极管输出的电信号进行放大并抑制太阳背景光，通过锁相积分电路将前置放大后的电信号进行锁相积分以滤除噪声，通过第二放大电路将锁相积分后的电信号进行放大，通过线性检波电路将放大后的电信号转化为直流信号，通过压频变换电路将直流信号转化为频率信号，通过光电隔离电路将频率信号传输至信号处理模块进行处理。

4.根据权利要求3所述的一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，所述同步信号处理模块与发射机模块中的与非门电路相连，提取与非门电路处理后的发射脉冲调制信号，传输至接收机模块中的锁相积分电路，使锁相积分电路以此电信号为基准进行锁相积分，从而滤除雾霾散射光信号中的噪声。

5.根据权利要求2或3所述的一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，所述信号处理模块包括依次相连的CPLD芯片、单片机、通讯接口，所述CPLD芯片对接收到的接收机模块所传输的频率信号进行处理，计算出对应的能见度值，单片机将能见度值进行数据转换后通过通讯接口实现距离传输功能；同时，所述CPLD芯片相隔一定时间向发射机模块中的与非门电路发送控制信号，用以控制发射机模块发射平行红外脉冲信号。

6.根据权利要求2所述的一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，所述晶振源为6MHz，经过所述分频器后形成2.3kHz的发射脉冲调制信号。

7.根据权利要求1所述的一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，所述一定时间为10s。

8.根据权利要求3所述的一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，所述第一、第二光学凸透镜上均镀有净水膜。

9.根据权利要求2所述的一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，所述红外发射管采用波长为930nm的红外发光二极管，其发光功率为40mw。

10.根据权利要求5所述的一种测量雾霾天气大气能见度的装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括数据存储器、日历时钟，用以实现数据存储功能。