CN104132915A - 小型高性能散射式能见度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长期可靠性高、准确度高的小型高性能散射式能见度测量装置及测量方法。该散射式大气能见度测量装置包括发射部分和探测部分，发射部分包括稳光强驱动源、发射光强度监测电路、发射光纤和光纤准直器；探测部分包括接收单元、光电信号处理与采集单元和计算机控制单元，所述接收单元采用光纤接收和传输散射光信号，探测的散射光束设有光电信号处理与采集单元，光电信号处理与采集单元输出的信号送入计算机控制单元，由计算机控制单元计算能见度。

Description

小型高性能散射式能见度测量装置及测量方法

技术领域

本发明设计一种光辐射接收和测量装置，特别是一种散射式大气能见度测量装置，属于光辐射能量在大气中传播时散射系数测量装置。

背景技术

大气能见度在大气光通信、图象传输和现代交通技术中产生着重要影响。能见度测量也一直受到人们的关注，随着现代交通网络的发展，特别是高速公路、水运和航空业的发展，需要对大气能见度进行实时监测，能见度的测量也愈显重要。能见度的测量依赖于光束消光系数的测量。典型的测量方法有前向散射法和透射法两类。在现代交通网络中，主要应用前向散射式能见度仪，也称散射式雾能见度传感器。前向散射法选择大气吸收微弱的近红外光，在与探测光束传播方向成35°方向，测量角散射系数，再按一定的大气光学模式计算总散射系数，并根据Koschmieder定律确定能见度，散射式能见度测量误差决定于总散射系数的测量。在现有的前向散射法装置中，对总散射系数测量误差的主要决定因素如下：光学模式的影响、散射探测光束发散角的影响、背景辐射干扰和散射辐射产生的背景干扰及测试装置结构热形变的影响等。此类装置在测量35°散射角处的散射系数时，光接收部件收集到的入射光束并非严格定义下的平行光束，而是分布在较大锥角内的光束，由此得到的散射系数比实际的该方向的散射系数大。由于现有散射式能见度仪的光源和光电探测器分别设置在发射头和接收头内，一般发射头和接收头内体积空间狭小，加之为防潮湿，均做成密闭，因此散热性能极差，导致光源和光电探测器受环境温度变化影响很大。本发明采用光纤传输探测光到发射头，并用光纤把接收到的散射光传输给光电探测器，光源和光电探测器均安置在通风和散热条件良好的仪器箱内。整机的抗热性能明显改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长期可靠性高、能准确测量能见度的小型高性能散射式大气能见度测量装置。

本发明的另一目的在于提供散射式大气能见度测量方法，该方法分别用两根光纤传输探测光束和接收光束，实时监测发射光束强度，校准发射光强度漂移影响，测量结果准确。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种小型高性能散射式大气能见度测量装置，它包括发射部分和探测部分，发射部分包括LED光源、光源驱动模块，探测部分包括光电信号处理与采集单元和计算机控制单元，所述发射部件发出的光经耦合器送入发射光纤，发射光纤经发射头发出光信号被大气散射后，传输给接收单元的接收头，由接收头接收光信号，经接收光纤传输后送入光电信号处理与采集单元。

所述发射部分还包括光分束片和凸透镜，LED光源发出的光依次经光分束片、凸透镜送入耦合器；其中光分束片的部分出射光经第一光电探测器转换为电信号，送入计算机控制单元；另一部分出射光经第二光电探测器转换为电信号，送入计算机控制单元。

所述LED光源、光分束片、凸透镜、耦合器，以及第一、第二光电探测器均设置在一金属筒座内；所述光电信号处理与采集单元设置在一屏蔽盒内。

所述金属筒座外设有第一半导体制冷器并连接第一温度传感器；所述屏蔽盒设有第二半导体制冷器并连接第二温度传感器；所述第一、第二半导体制体冷器和第一、第二温度传感器分别与计算机控制单元相连。

该装置设有控制器箱、支架横梁、支柱和安装基座，支柱设在安装基座上，支架横梁和控制器箱安装在支柱上，该装置控制器外设置有发射头和接收头，发射光纤和接收光纤一端分别与发射头和接收头相连，另一端分别接入控制器箱。

所述耦合器由凸透镜和金属圆筒组成；所述发射头和接收头均由光准直镜和金属圆筒组成。

利用上述装置进行大气能见度测量方法，具体步骤包括：

(1)通过LED光源发射光信号，由发射光纤将光信号传输到发射头，经准直后成为平行光发出，被大气散射；

(2)散射光经接收头接收，准直后会聚到接收光纤，由接收光纤传输到光电信号处理与采集单元；

(3)处理后数据送入计算机控制单元，计算消光系数和能见度值。

该方法还包括以下步骤，

第一光电探测器采集光分束片分出的部分光信号，经转换计算得出LED光源发射光强，低于设定值时，驱动发射光驱动电源增加发射光强；高于设定值时，驱动发射光驱动电源降低发射光强，允许误差±0.1％；

第二光电探测器采集光分束片分出的部分光信号，经转换计算得出LED光源发射光强，对入射光强进行纠偏。

该方法还包括以下步骤，

第一温度传感器采集金属筒座外壁温度，并与设定的温度阈值T1比较，高于温度阈值T1+0.05℃时，启动第一半导体制冷器制冷，至温度阈值；低于温度阈值T1-0.05℃时，启动第一半导体制冷器制热，至温度阈值，保持金属筒座的温度在温度阈值附近微小变化。

该方法还包括以下步骤，

第二温度传感器采集屏蔽盒外壁温度，并与设定的温度阈值T2比较，高于温度阈值T2+0.5℃时，启动第二半导体制冷器制冷，至温度阈值；低于温度阈值T2-0.5℃值时，启动第二半导体制冷器制热，至温度阈值，保持屏蔽盒的温度在温度阈值附近微小变化。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、本发明采用光纤传输探测光束和接收的散射光束，消除了太阳照射产生的温升热影响，跟踪探测光束功率变化，能有效抑制探测光束强度漂移产生的影响。解决了长期以来困扰散射式能见度仪未能得以广泛应用的一个重要问题。

2、本发明对探测器采取温度控制措施，设置了第一、第二半导体制冷器，抑制了环境温度的影响，提高了装置的长期可靠性。

3、同时对LED发光器也采用温度控制技术，使输出光波长稳定，避免探测光波长不稳对测量的影响。在电路设计方面，对电路进行小型化设计，主要元器件均置于设有温度控制的金属筒座和屏蔽盒内，有效地抑制了漂移，减小测量的不确定性。

附图说明

图1为散射式能见度测量仪的结构框图；

图2为实施例的发射部分总成结构示意图；

图3为实施例的探测部分总成结构示意图；

图4为本发明中央控制系统的原理框图。

图5为本发明光信号处理系统原理图。

图中：a-支柱；b-支架横梁；c-安装基座；1-控制器箱；2-发射光纤；3-接收光纤；4-发射头；5-接收头。6-凸透镜；7-金属圆筒；8-金属圆筒；9-光纤准直器；10-金属圆筒；11-光纤准直器；12-光纤连接头；13-半导体发光器模组；14-第一光电探测器；15-第二光电探测器；16-光分束片；17-凸透镜；18-金属筒座；19-第一半导体制冷器；20-第一温度传感器；21-发光器驱动电源；22-计算机控制单元；23-光电信号处理与采集单元；24-第二半导体制冷器；25-第二温度传感器；26-光电探测器；27-前置放大器；28-带通滤波器；29-有效值转换器；30-数据采集单元。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明的小型高性能散射式大气能见度测量装置，它包括发射部分和探测部分，探测部分包括接收头5、光电信号处理与采集单元23和计算机控制单元22，接收头采用光纤准直器11，接收散射光束，将光束会聚后进入接收光纤3，传送到光电信号处理与采集单元23，输出的信号送入计算机控制单元22处理；由计算机控制单元22计算能见度。

光电信号处理与采集单元23包括：光电探测器26、前置放大器27、带通滤波器28、有效值转换器29、数据采集单元30。

光电信号处理与采集单元置于屏蔽盒内，屏蔽盒设有第二温度控制器。保证光电探测器26和屏蔽盒内各元件的电气性能参数不随环境温度变化而变化。

发射部分包括半导体发光器模组13、发光器驱动电源21。半导体发光器模组13还设置有第一温度控制器19、保证发光器发出光波长和功率不随环境的变化而变化，并且有效抑制环境光变化对测量的影响。

半导体发光器模组13发射出的光束经光分束片16部分反射分别投射到第一光电探测器14和第二光电探测器15，透过光分束片的光经凸透镜17准直，经耦合器凸透镜6会聚后进入发射光纤2传送到发射头4。

计算机控制单元内包含有第一、第二半导体制冷器的驱动电路，以及计算机接口电路。

第二光电探测器15对发射的探测光束长期变化进行检测，提供计算机控制单元做测量修正。

本发明的工作过程：

如图4、图5所示，本发明的半导体发光器13在驱动电源21的驱动下发射出频率1.0kHz光脉冲序列，经光分束片16分成两部分，一部分反射光分别被第一光电探测器14和第二光电探测器15检测。另一部分经凸透镜17和6会聚到发射光纤2的输入端，传输到发射头内的光纤准直器9，成为近似平行探测光束，经过待测区域大气散射后，在35°前向散射角方向，用光纤准直器11收集散射光，并通过接收光纤3传送到光电探测器28转换为电信号，光电探测器28输出的光电信号依次经过前置放大器29、带通滤波器30、和有效值转换器31被转换为直流电压信号，其大小与接收单元接收到的散射光功率成正比，计算机控制单元23通过采集数据并计算光信号的平均功率，根据发射光功率，计算待测散射系数，按下面的式(2)或(4)计算能见度。

第一光电探测器14实时采样光信号，计算机对其采样频率约为3000次/秒，计算机控制单元23根据第一光电探测器14检测到的光信号，调节发光器驱动电源21稳定半导体发光器的发光强度。第二光电探测器15采样光信号，经计算机控制单元滤波，得到直流信号，计算机对其采样频率约为3次/秒，根据第二光电探测器15检测到的光信号，监测发射探测光束的长期变化，对发射光强度的漂移进行实时校正。

本发明的工作原理：

以气象视距表示能见度，按地面观测规范之规定，当远处目标物-背景对比度下降为近处对比度的0.02时，所对应的距离定义为能见度，它由Koschmieder定律给出

$R_m=\frac{3.912}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{ex}}}---\left(1\right)$

其中κ_ex是大气对波长为550nm单色光的消光系数。在以其他波长λ的单色光作为探测光时，式(1)应改写为

$R_m=\frac{3.912}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{ex}}}{\left(\frac{0.55}{\mathrm{\λ}}\right)}^{0.583R_m^{1/3}}---\left(2\right)$

式(2)为超越方程，只能获得数值解。能见度的测量精度依赖于κ_ex和波长的测量精度，实际测量中波长的测量精度比消光系数的测量精度高的多。

在航空领域，为了保证航空器的安全，定义目标物-背景对比度下降为近处对比度的0.05时，所对应的距离为能见度

$R_m=\frac{2.996}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{ex}}}---\left(3\right)$

在以其他波长λ的单色光作为探测光时，式(3)应改写为

$R_m=\frac{2.996}{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{ex}}}{\left(\frac{0.55}{\mathrm{\λ}}\right)}^{0.583R_m^{1/3}}---\left(4\right)$

在散射式能见度测试仪中，选择大气吸收可忽略不计的近红外光为探测光束，测量35°方向的散射光强度，求出该方向的散射系数β₃₅，并以β₃₅表达大气总散射系数，用此总散射系数代表大气的消光系数κ_ex。测定发射光功率和接收光功率，利用式(2)或(4)计算能见度。

Claims (10)

1.一种小型高性能散射式大气能见度测量装置，它包括发射部分和探测部分，发射部分包括LED光源、光源驱动模块，探测部分包括光电信号处理与采集单元和计算机控制单元，其特征是：所述发射部件发出的光经耦合器送入发射光纤，发射光纤经发射头发出光信号被大气散射后，传输给接收单元的接收头，由接收头接收光信号，经接收光纤传输后送入光电信号处理与采集单元。

2.根据权利要求1所述的散射式大气能见度测量装置，其特征是：所述发射部分还包括光分束片和凸透镜，LED光源发出的光依次经光分束片、凸透镜送入耦合器；其中光分束片的部分出射光经第一光电探测器转换为电信号，送入计算机控制单元；另一部分出射光经第二光电探测器转换为电信号，送入计算机控制单元。

3.根据权利要求2所述的散射式大气能见度测量装置，其特征是：所述LED光源、光分束片、凸透镜、耦合器，以及第一、第二光电探测器均设置在一金属筒座内；所述光电信号处理与采集单元设置在一屏蔽盒内。

4.根据权利要求3所述的散射式大气能见度测量装置，其特征是：所述金属筒座外设有第一半导体制冷器并连接第一温度传感器；所述屏蔽盒设有第二半导体制冷器并连接第二温度传感器；所述第一、第二半导体制体冷器和第一、第二温度传感器分别与计算机控制单元相连。

5.根据权利要求4所述的散射式大气能见度测量装置，其特征是：该装置设有控制器箱、支架横梁、支柱和安装基座，支柱设在安装基座上，支架横梁和控制器箱安装在支柱上，该装置控制器外设置有发射头和接收头，发射光纤和接收光纤一端分别与发射头和接收头相连，另一端分别接入控制器箱。

6.根据权利要求1所述的散射式大气能见度测量装置，其特征是：所述耦合器由凸透镜和金属圆筒组成；所述发射头和接收头均由光准直镜和金属圆筒组成。

7.利用权利要求1所述装置进行大气能见度测量方法，其特征是：具体步骤包括：

（1）通过LED光源发射光信号，由发射光纤将光信号传输到发射头，经准直后成为平行光发出，被大气散射；

（2）散射光经接收头接收，准直后会聚到接收光纤，由接收光纤传输到光电信号处理与采集单元；

（3）处理后数据送入计算机控制单元，计算消光系数和能见度值。

8.根据权利要求7所述的大气能见度测量方法，该方法还包括以下步骤，

第一光电探测器采集光分束片分出的部分光信号，经转换计算得出LED光源发射光强，低于设定值时，驱动发射光驱动电源增加发射光强；高于设定值时，驱动发射光驱动电源降低发射光强；

第二光电探测器采集光分束片分出的部分光信号，经转换计算得出LED光源发射光强，对入射光强进行纠偏。

9.根据权利要求7或8所述的大气能见度测量方法，该方法还包括以下步骤，

第一温度传感器采集金属筒座外壁温度，并与设定的温度阈值T1比较，高于温度阈值T1+0.05℃时，启动第一半导体制冷器制冷，至温度阈值；低于温度阈值T1-0.05℃时，启动第一半导体制冷器制热，至温度阈值。

10.根据权利要求7或8所述的大气能见度测量方法，该方法还包括以下步骤，

第二温度传感器采集屏蔽盒外壁温度，并与设定的温度阈值T2比较，高于温度阈值T2+0.5℃时，启动第二半导体制冷器制冷，至温度阈值；低于温度阈T2-0.5℃值时，启动第二半导体制冷器制热，至温度阈值。