CN104374747A - 一种双基线大气能见度透射仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双基线大气能见度透射仪，能够测量大气能见度。该系统结构简单，主要包含一个准直发射器装置、接收器装置、上位机和组合供电设备，其中接收器装置包括第一接收机和第二接收机。该仪器选用一个准直发射器装置、两个接收机形成两个测量基线，进行消光计算，相比于单基线能见度透射仪，能够消除光学表面脏污引起的系统误差，提高透射仪的测量精度，保证了透射仪长期测量的稳定性，特别适合于需要长时间在野外露天等恶劣环境下工作。

Description

一种双基线大气能见度透射仪

技术领域

本发明属于大气探测技术领域，涉及一种可消除系统误差的透射式能见度测量仪。

背景技术

能见度是指正常视力的人能够识别和辨认目标物的距离，它是用距离来描述大气透明程度(或浑浊程度)的物理量。能见度不仅用于气象观测部门，而且更广泛用于航空、航海、高速公路、军事以及环境监测等领域。在交通运输领域里，尤其是航空运输中，能见度直接反映了飞行员的视程大小，决定着飞机能否正常起飞或着陆，是保障飞行安全的重要气象要素之一；在环境监测领域，能见度又是人们对大气污染情况的第一个直接反映，作为描述大气污染程度的一个特征量，它的测量受到了广泛的重视；在军事领域，能见度的精确测报也是部队军事行动中不可缺少的气象要素之一。

目前，大气能见度的测量方法主要有两类，即透射法和激光散射法。激光散射法又分激光前散射法和激光后散射法。其中，散射法结构紧凑，但散射法因增大其散射体积较困难，测量精度很难提高。透射法测量精度较散射法较高，但由于能见度测量系统要求长时间在野外露天环境下工作，大气环境对系统的污染、光源在长时间使用后的性能衰减、探测器系统的性能衰减等均对测量精度产生严重的影响，且在使用过程中，需要经常对仪器进行维护，仪器的测量精度稳定性差。

因此，目前迫切需要增长透射仪在恶劣环境下的工作时间，提高仪器的测量精度且保证其长期测量的稳定性，减少仪器的维护时间和成本，便于野外恶劣环境下使用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服单基线能见度投射仪的不足，提供一种双基线大气能见度透射仪，以解决单基线透射仪不能长时间在野外露天等恶劣环境下工作的问题，增加透射仪的测量精度和长期测量的稳定性。

本发明的技术方案是：

一种双基线大气能见度透射仪，包括准直发射器装置、接收器装置、上位机和组合供电设备，其中，组合供电设备用于给整个透射仪供电；上位机控制准直发射器装置的开关、并调节其发射端光强度；准直发射器装置用来产生白光，并将白光按照辐射强度1:9的关系分为两束，即，辐射强度占原白光10％的第一光束和辐射强度占原白光90％的第二光束；接收器装置包括第一接收机和第二接收机，第一接收机距离准直发射器装置的距离为15m，接收来自准直发射器装置的第一光束，并将其发射端光强度转换为第一信号；第二接收机距离准直发射器装置的距离为75m，接收来自准直发射器装置的第二光束，并将其发射端光强度转换为第二信号；上位机控制第一接收机和第二接收机的工作状态，并采集来自第一接收机和第二接收机的第一信号和第二信号，根据以下公式计算得到大气能见度值：

$\mathrm{MOR}=-\frac{3\×(75-15)}{\ln \left(\stackrel{\‾}{t_{\mathrm{AVE}}}\right)}$

其中，MOR为大气能见度值；

为两基线的透过率比值进行N次测量后，去掉两个最大值和两个最小值得到的平均值，即 $\stackrel{\‾}{t_{\mathrm{AVE}}}=\mathrm{AVE}\left[t_{\mathrm{RAW}}\left(N\right)\right];$

其中，透过率比值 $t_{\mathrm{RAW}}=\frac{T_2\left(\mathrm{RAW}\right)}{T_1\left(\mathrm{RAW}\right)}=\frac{K_2}{K_1}\·\frac{10\%}{90\%}\·\frac{{\mathrm{\Φ}}_2\left(\mathrm{RAW}\right)}{{\mathrm{\Φ}}_1\left(\mathrm{RAW}\right)};$

上式中：K₁、K₂分别是第一接收机和第二接收机的校准系数；

校准系数公式为K_i＝K_i(V)·(K_ia·K_ib·K_ic·K_id)，i＝1,2指第一接收机和第二接收机的序号；

校准系数的确定需要对双基线大气能见度透射仪在能见度大于10Km时进行校准，其中

$K_i\left(V\right)=\frac{T_i\left(V\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_d},i=\mathrm{1,2}$

其中，T_i(V)为当能见度为10Km时，第i个接收机距离准直发射器装置的距离为B_i时，采用普通测大气透过率方法测得的大气透过率，并且 $i=\mathrm{1,2};$

K_ia，K_ib，K_ic，K_id分别为准直发射器装置产生白光的光强度分别为25％、50％、75％和100％时，双基线大气能见度透射仪的校准系数，其表达式为：

$K_{\mathrm{ia}}=\frac{P_i\left(a\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_a},$

$K_{\mathrm{ib}}=\frac{P_i\left(b\right)-P_i\left(a\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_b-T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_a},$

$K_{\mathrm{ic}}=\frac{P_i\left(c\right)-P_i\left(b\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_c-T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_b},$

$K_{\mathrm{id}}=\frac{T_i\left(V\right)-P_i\left(c\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_d-T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_c},$

T_i(AVE)_a，T_i(AVE)_b，T_i(AVE)_c，T_i(AVE)_d指当能见度为10Km，第i个接收机距离准直发射器装置的距离为B_i时，且准直发射器装置产生白光的光强度分别为25％、50％、75％和100％时，经过N次测量大气透过率的平均值，i＝1,2；P_i(a)，P_i(b)，P_i(c)，P_i(d)指当能见度为10Km，第i个接收机距离准直发射器装置的距离为B_i时，且准直发射器装置产生白光的光强度分别为25％、50％、75％和100％时，采用普通测大气透过率方法测得的大气透过率，i＝1,2；

Φ₁(RAW)、Φ₂(RAW)分别为到达第一接收机和第二接收机的光通量，光通量通过以下公式计算：

Φ_i(RAW)＝R_i(I)-R_i(0)，i＝1,2

R_i(I)、R_i(0)分别表示准直发射器装置有、无发光时第i个接收机的输出信号，i＝1,2。

进一步地，准直发射器装置包括LED光源、离轴抛物面反射镜、光源监测组件、标定遮光轮、分光镜和全反射镜，其中，LED光源射出的光经过离轴抛物面反射镜转化为平行光；光源监测组件用于监测来自离轴抛物面反射镜的平行光，并得到光源监测的发射端光强度数据，并把该监测数据传送给上位机，用于上位机控制调节准直发射器装置的发射端光强度；标定遮光轮对来自离轴抛物面反射镜的平行光进行遮光，用于双基线大气能见度透射仪的标定；分光镜将经过标定遮光轮的平行光按照辐射强度1:9的关系分为两束；即，10％的光被反射成为第一光束，90％的光直接透过分光镜成为第二光束并发射出去；全反射镜将来自分光镜的第一光束反射射出，并与第二光束平行。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的双基线大气能见度透射仪，采用透射法测量大气能见度，并在传统的单基线大气能见度透射仪的基础上，将准直光发射装置发射的白光分为两束，设置了两个接受机，通过消差计算得出大气能见度值；采用双基线大气能见度透射仪能够消除大气环境对透射仪系统的污染、光源在长时间使用后的性能衰减、探测器系统的性能衰减等对投射仪测量精度的影响；保证仪器能够长时间在野外露天等恶劣环境下工作，不仅提高了测量精度，还增加了系统长期测量的稳定性，减少了仪器的维护时间和成本，更加有利于透射仪的广泛应用。

附图说明

图1为本发明的透射仪组成原理示意图；

图2为本发明的透射仪双基线测量原理示意图；

图3为本发明的透射仪准直发射器装置与接收器装置的组成示意图；

图4为本发明的透射仪的工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的双基线大气能见度透射仪作进一步详细的说明。

如图1-图4所示，根据本发明的双基线大气能见度透射仪，包括准直发射器装置、接收器装置、上位机和组合供电设备，其中，

组合供电设备用于给整个透射仪供电。

上位机控制准直发射器装置的开关并调节其发射端光强度，准直发射器装置用来产生白光，并将白光按照辐射强度1:9的关系分为两束，即，辐射强度占原白光10％的第一光束和辐射强度占原白光90％的第二光束。

接收器装置包括第一接收机和第二接收机，第一接收机距离准直发射器装置的距离为15m，接收来自准直发射器装置的第一光束，并将其发射端光强度转换为第一信号；第二接收机距离准直发射器装置的距离为75m，接收来自准直发射器装置的第二光束，并将其发射端光强度转换为第二信号。

上位机控制第一接收机和第二接收机的工作状态，并采集来自第一接收机和第二接收机的第一信号和第二信号，根据以下公式计算得到大气能见度值：

$\mathrm{MOR}=-\frac{3\×(75-15)}{\ln \left(\stackrel{\‾}{t_{\mathrm{AVE}}}\right)}$

其中，MOR为大气能见度值；

为两基线的透过率比值进行N次测量后，去掉两个最大值和两个最小值得到的平均值，即 $\stackrel{\‾}{t_{\mathrm{AVE}}}=\mathrm{AVE}\left[t_{\mathrm{RAW}}\left(N\right)\right];$

其中，透过率比值 $t_{\mathrm{RAW}}=\frac{T_2\left(\mathrm{RAW}\right)}{T_1\left(\mathrm{RAW}\right)}=\frac{K_2}{K_1}\·\frac{10\%}{90\%}\·\frac{{\mathrm{\Φ}}_2\left(\mathrm{RAW}\right)}{{\mathrm{\Φ}}_1\left(\mathrm{RAW}\right)};$

上式中：K₁、K₂分别是第一接收机和第二接收机的校准系数；

校准系数公式为K_i＝K_i(V)·(K_ia·K_ib·K_ic·K_id)，i＝1,2指第一接收机和第二接收机的序号；

校准系数的确定需要对双基线大气能见度透射仪在能见度大于10Km时进行校准，其中

$K_i\left(V\right)=\frac{T_i\left(V\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_d},i=\mathrm{1,2}$

其中，T_i(V)为当能见度为10Km时，第i个接收机距离准直发射器装置的距离为B_i时，采用普通测大气透过率方法测得的大气透过率，并且 $i=\mathrm{1,2};$

K_ia，K_ib，K_ic，K_id分别为准直发射器装置产生白光的光强度分别为25％、50％、75％和100％时，双基线大气能见度透射仪的校准系数，其表达式为：

$K_{\mathrm{ia}}=\frac{P_i\left(a\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_a},$

$K_{\mathrm{ib}}=\frac{P_i\left(b\right)-P_i\left(a\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_b-T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_a},$

$K_{\mathrm{ic}}=\frac{P_i\left(c\right)-P_i\left(b\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_c-T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_b},$

$K_{\mathrm{id}}=\frac{T_i\left(V\right)-P_i\left(c\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_d-T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_c},$

T_i(AVE)_a，T_i(AVE)_b，T_i(AVE)_c，T_i(AVE)_d指当能见度为10Km，第i个接收机距离准直发射器装置的距离为B_i时，且准直发射器装置产生白光的光强度分别为25％、50％、75％和100％时，经过N次测量大气透过率的平均值，i＝1,2；P_i(a)，P_i(b)，P_i(c)，P_i(d)指当能见度为10Km，第i个接收机距离准直发射器装置的距离为B_i时，且准直发射器装置产生白光的光强度分别为25％、50％、75％和100％时，采用普通测大气透过率方法测得的大气透过率，i＝1,2；

Φ₁(RAW)、Φ₂(RAW)分别为到达第一接收机和第二接收机的光通量，光通量通过以下公式计算：

Φ_i(RAW)＝R_i(I)-R_i(0)，i＝1,2

R_i(I)、R_i(0)分别表示准直发射器装置有、无发光时第i个接收机的输出信号，i＝1,2。

准直发射器装置包括LED光源、离轴抛物面反射镜、光源监测组件、标定遮光轮、分光镜和全反射镜，其中，

LED光源射出的光经过离轴抛物面反射镜转化为平行光；

光源监测组件用于监测来自离轴抛物面反射镜的平行光，并得到光源监测的发射端光强度数据，并把该监测数据传送给上位机，用于上位机控制调节准直发射器装置的发射端光强度；

标定遮光轮对来自离轴抛物面反射镜的平行光进行遮光，用于双基线大气能见度透射仪的标定；

分光镜将经过标定遮光轮的平行光按照辐射强度1:9的关系分为两束；即，10％的光被反射成为第一光束，90％的光直接透过分光镜成为第二光束并发射出去；

全反射镜将来自分光镜的第一光束反射射出，并与第二光束平行。

图3为双基线大气能见度系统的准直发射器装置与接收器装置系统的组成示意图，其具体工作过程如下述：

(1)上位机与准直发射器装置通过485半双工通信芯片通信，并保证准直发射器装置与接收器装置按指令进行工作，并根据需要采集准直发射器装置的光源监测组件监测到的发射端光强度和接收器装置的第一接收机及第二接收机获得接收端光强度的信号，用于大气透过率计算；

(2)接到启动指令后，准直发射器装置开启LED光源，白光经由离轴抛物反射镜后，转变为准直平行光，平行光束散角小于0.5°。为了隔离背景光的干扰，采用高频调制发射光，与自然光在信号上进行区分。在平行光经过的路径上，在光斑的边缘处设置光源监测组件，探测到发射端光强度，用该值监控光源的稳定性，同时回报给上位机，用于能见度结算。

(3)在准直光束通道上设置标定遮光轮，用于设备的标定。遮光轮比例分别为25％、50％、75％和100％。

(4)准直光束经过1:9的半透半反分光镜后，将光束分成两束。一路光束用15m处第一接收机接收；另一路光束用于75m处第二接收机接收。

(5)接收机口径为100m。由球面镜聚光后，经过窄带滤光镜，光束被光敏二极管吸收后，经过信号放大、锁相采样、模数转换后，通过单片机串口将接收端光强度发送给上位机处理。

图4为双基线大气能见度透射仪的工作流程示意图。整个双基线大气能见度透射仪的系统工作模式如下：

(1)启动发射

当接收到上位机的启动发射指令后，准直发射器装置的LED光源开始供电，准直发射器装置发出两束平行光。

(2)停止发射

当接收到上位机的停止发射指令后，准直发射器装置的LED光源断电，准直发射器装置停止两束平行光的发射。

(3)定标

当接收到定标指令后，准直发射器装置的遮光轮转动到标定指令指定的位置，在光源正常通电的情况下，按25％、50％、75％比例发射白光，供双基线大气能见度透射仪标定使用。

(4)读取数据

当接收到读取数据指令后，准直发射器装置将目前状态的准直发射器装置的发射端光强度、第一接收机和第二接收机的接收端光强度数据发送给上位机，供上位机解算。

(5)接收器装置功能

接收器装置将准直发射器装置射来的光束先经过透镜聚光，再经过窄带滤波，最终将滤波后的光斑投影到光电二极管上，将光信号转换成电信号，通过模数转换后转给单片机，将第一接收机和第二接收机的接收端光强度数据发送给上位机，供上位机解算。

(6)开机

接收到准直发射器装置的开机指令后，准直发射器装置和接收器装置上电工作，定时往上位机发送准直发射器装置的发射端光强度数据和接收器装置的接收端光强度数据。

(7)关机

接收到上位机的关机指令后，准直发射器装置和接收器装置断电，停止工作。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种双基线大气能见度透射仪，其特征在于：包括准直发射器装置、接收器装置、上位机和组合供电设备，其中，

组合供电设备用于给整个透射仪供电；

上位机控制准直发射器装置的开关，并调节其发射端光强度；准直发射器装置用来产生白光，并将白光按照辐射强度1:9的关系分为两束，即，辐射强度占原白光10％的第一光束和辐射强度占原白光90％的第二光束；

接收器装置包括第一接收机和第二接收机，第一接收机距离准直发射器装置的距离为15m，接收来自准直发射器装置的第一光束，并将其发射端光强度转换为第一信号；第二接收机距离准直发射器装置的距离为75m，接收来自准直发射器装置的第二光束，并将其发射端光强度转换为第二信号；

上位机控制第一接收机和第二接收机的工作状态，并采集来自第一接收机和第二接收机的第一信号和第二信号，根据以下公式计算得到大气能见度值：

$\mathrm{MOR}=-\frac{3\×(75-15)}{\ln \left(\stackrel{\‾}{t_{\mathrm{AVE}}}\right)}$

其中，MOR为大气能见度值；

为两基线的透过率比值进行N次测量后，去掉两个最大值和两个最小值得到的平均值，即 $\stackrel{\‾}{t_{\mathrm{AVE}}}=\mathrm{AVE}\left[t_{\mathrm{RAW}}\left(N\right)\right];$

其中，透过率比值 $t_{\mathrm{RAW}}=\frac{T_2\left(\mathrm{RAW}\right)}{T_1\left(\mathrm{RAW}\right)}=\frac{K_2}{K_1}\·\frac{10\%}{90\%}\·\frac{{\mathrm{\Φ}}_2\left(\mathrm{RAW}\right)}{{\mathrm{\Φ}}_1\left(\mathrm{RAW}\right)};$

上式中：K₁、K₂分别是第一接收机和第二接收机的校准系数；

校准系数公式为K_i＝K_i(V)·(K_ia·K_ib·K_ic·K_id)，i＝1,2指第一接收机和第二接收机的序号；

校准系数的确定需要对双基线大气能见度透射仪在能见度大于10Km时进行校准，其中

$K_i\left(V\right)=\frac{T_i\left(V\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_d},i=\mathrm{1,2}$

其中，T_i(V)为当能见度为10Km时，第i个接收机距离准直发射器装置的距离为B_i时，采用普通测大气透过率方法测得的大气透过率，并且i＝1,2；

K_ia，K_ib，K_ic，K_id分别为准直发射器装置产生白光的光强度分别为25％、50％、75％和100％时，双基线大气能见度透射仪的校准系数，其表达式为：

$K_{\mathrm{ia}}=\frac{P_i\left(a\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_a},$

$K_{\mathrm{ib}}=\frac{P_i\left(b\right)-P_i\left(a\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_b-T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_a},$

$K_{\mathrm{ic}}=\frac{P_i\left(c\right)-P_i\left(b\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_c-T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_b},$

$K_{\mathrm{id}}=\frac{T_i\left(V\right)-P_i\left(c\right)}{T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_d-T_i{\left(\mathrm{AVE}\right)}_c},$

T_i(AVE)_a，T_i(AVE)_b，T_i(AVE)_c，T_i(AVE)_d指当能见度为10Km，第i个接收机距离准直发射器装置的距离为B_i时，且准直发射器装置产生白光的光强度分别为25％、50％、75％和100％时，经过N次测量大气透过率的平均值，i＝1,2；P_i(a)，P_i(b)，P_i(c)，P_i(d)指当能见度为10Km，第i个接收机距离准直发射器装置的距离为B_i时，且准直发射器装置产生白光的光强度分别为25％、50％、75％和100％时，采用普通测大气透过率方法测得的大气透过率，i＝1,2；

Φ₁(RAW)、Φ₂(RAW)分别为到达第一接收机和第二接收机的光通量，光通量通过以下公式计算：

Φ_i(RAW)＝R_i(I)-R_i(0)，i＝1,2

R_i(I)、R_i(0)分别表示准直发射器装置有、无发光时第i个接收机的输出信号，i＝1,2。

2.根据权利要求1所述的双基线大气能见度透射仪，其特征在于：准直发射器装置包括LED光源、离轴抛物面反射镜、光源监测组件、标定遮光轮、分光镜和全反射镜，其中，

LED光源射出的光经过离轴抛物面反射镜转化为平行光；

光源监测组件用于监测来自离轴抛物面反射镜的平行光，并得到光源监测的发射端光强度数据，并把该监测数据传送给上位机，用于上位机控制调节准直发射器装置的发射端光强度；

标定遮光轮对来自离轴抛物面反射镜的平行光进行遮光，用于双基线大气能见度透射仪的标定；

分光镜将经过标定遮光轮的平行光按照辐射强度1:9的关系分为两束；即，10％的光被反射成为第一光束，90％的光直接透过分光镜成为第二光束并发射出去；

全反射镜将来自分光镜的第一光束反射射出，并与第二光束平行。