CN104749138A - 能见度仪中屏蔽背景辐射影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能见度仪中屏蔽背景辐射的方法，该能见度仪中设置有光学发射端和光学接收端，该方法包括：调制该发射端的LED光源，使其发出固定频率的方波辐射信号，向所述接收端的探测器放大电路发出与所述方波辐射信号具有同相位、同频率的同步信号，由该放大电路滤除背景辐射，通过获得经放大电路处理后的信号相对调制LED光源的辐射信号的衰减来测量大气能见度。利用了背景辐射多为直流或低频辐射的特点，使调制LED光源发出固定频率的辐射信号，再使接收端只接收该固定频率的辐射信号的方法，来屏蔽背景辐射。

Description

能见度仪中屏蔽背景辐射影响的方法

技术领域

本发明涉及气象领域中气象光学视距领域，特别是在透射式大气能见度仪中屏蔽背影辐射影响的方法。

背景技术

气象光学视距测量装置主要用于飞机跑道、航运、海航和陆路交通运输等领域当时气象条件下的最大光学视距，是这些领域中气象参数的重要参数之一。

气象光学视距测量(观测)通常采用以下几种方法：

1.目视观测(主观观测)：是指人工观测，目视观测结果会因观测条件不同结果相差很大，比如观测点高度，观测范围和观测者的视力和训练和心理状态等。

2.器测：借助物理测试仪器定量化测量气象光学视距，主要方法包括前向散射法和透射法。前向散射测量法通测量接收器过附近的散光强度获得数据，该数据仅代表测量点附近的测量结果，因此测量值的不确定度较高。

3.常见的透过式能见度测量装置为色温为2700K时白炽灯发出的平行光束被大气吸收和散射后，光束的光通量衰减到5％时的距离，因此该装置采用的是透过率测量方法。

透射式能测量法采用直接测量大气透过率方法获得气象能见度，主要优点是点到点测量，因此测量精度明显高于散射测试方法。但是与散射式相比技术难度大且造价相对较高，因此适合于对气象条件要求更高的场景使用，如机场、海面、港口等。由于野外环境下背景辐射十分强烈，如大气散射辐射，太阳直射辐射、野外物体对太阳辐射的反射以及各种灯光(固定照明、汽车、飞机灯光)等这些都归结于背景辐射，因此这些背景辐射都可能进入到能见度仪的接收端，形成干扰透过率测量误差的外来杂散辐射。由于测试现场复杂性决定了不能通过改造现场的方法来控制能见度仪的杂光辐射，因此只能通过对能见度仪的屏蔽背景辐射设计，实现无杂光影响光学测试系统。

例如在我国申请的专利号为200920309350.0的大气透射式能见度仪，利用一个中心有销孔的光阑，来遮挡杂散光，但仍然无法避免的会有杂光进入。为了提高透射式大气能见度仪测量数据的精度本领域技术人员不断在研究着更好的解决办法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，根据背景辐射多为直流或低频辐射，本发明的目的在于提供一种对透射式大气能见度仪屏蔽背景辐射的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

能见度仪中屏蔽背景辐射的方法，该能见度仪中设置有光学发射端和光学接收端，该方法包括：调制该发射端的LED光源，使其发出固定频率的方波辐射信号，同时向所述接收端的探测器放大电路发出与所述方波辐射信号具有同相位、同频率的电子学同步信号，由该放大电路滤除包括背景辐射在内的工作频率以外的所有信号，通过获得经放大电路处理后的信号相对调制LED光源的辐射信号的衰减来测量大气能见度。

进一步，脉冲生成电路、功率放大电路和所述LED光源依次连接，所述脉冲生成电路产生脉冲信号，该脉冲信号通过所述功率放大电路来驱动LED光源，同时，脉冲生成电路与所述接收端的探测器放大电路相连接，将该脉冲信号作为所述同步信号发送给该放大电路。

进一步，所述接收端的探测器放大电路为锁相放大器。

本发明的能见度仪中屏蔽背景辐射的方法是利用了背景辐射多为直流或低频辐射的特点，使调制LED光源发出固定频率的辐射信号，再使接收端只接收该固定频率的辐射信号的方法，来屏蔽背景辐射；由于LED光源具有较高的时间响应特点，由电子学方波驱动电路进行驱动，相对于传统的机械调制器减少了结构的复杂性，调制的波形也更加理想。

附图说明

图1为本发明的能见度仪中屏蔽背景辐射影响的方法的示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

能见度仪是一个在野外气象环境下使用的气象光学视距(MOR)，透射式能见度仪是通过测量发射度与接收端之间的大气透过率Ta来确定的。

$\mathrm{MOR}=\frac{0.2996\×R}{\ln T_a}..........................................................\left(1\right)$

公式(1)中，T_a为大气透过率，R为发射端与接收端之间的距离，单位为m。

大气透过率为经大气衰减后在接收端入瞳处光通量Φ′与发射光管发出的光通量Φ比，假设用ΔT_a表示大气透过率测量误差，根据公式(1)，由透过率T_a测量误差引入的气象光学视距ΔMOR误差的表达式为：显然满足准确测量结果的前提是接收端入瞳处光通量Φ′不能受到发射光管以外光辐射的影响。

如图1所示为能见度仪中屏蔽背景辐射的方法的示意图，该能见度仪中设置有光学发射端1和光学接收端2，发射端1内设置有脉冲生成电路11、功率放大电路12和发射光管13，LED光源位于内的发射光管13中，由发射光管13发出平行光E_t，接收端2内设置接收光管21和锁相放大器22，探测器位于接收光管21内；脉冲生成电路11产生脉冲信号，该脉冲信号通过功率放大电路12来驱动LED光源，调制LED光源使其发出固定频率的方波辐射信号，LED光源是能见度仪的测量光源，作为相关测量的基本前提，LED光源输出必须为一个方形波(1:1占空比)且具有固定频率调制辐射信号，由于LED光源具有较高的时间响应特点(上升下降沿时间低于10^-6s)，因此LED工作方式可以采用电子学方波驱动电路进行驱动，在该电路的驱动下LED输出辐射可以认为是一个较为理想方波辐射信号。同时，脉冲生成电路11与接收端2的锁相放大器22相连接，将脉冲信号作为同步信号V_R发送给锁相放大器22，接收端2由接收光管21接收发射光管13发出的平行光和背景辐射，由锁相放大器22以脉冲信号作为参照基准滤除背景辐射，锁相放大器22是利用互相关原理设计的一种同步相干检测器，采用的是对检测信号和参考信号进行相关运算的方法获得检测信号值。相关器核心是一个乘法器，只有当输入信号与同步信号频率相同部分的信号可以通过检测器并进入积分器，进而获得信号输出，其它频率被滤除掉不进入下一级处理电路，因此锁相放大器最终输出信号正比于与同步信号同频率基频信号的幅度，而与其他信号频率无关。通过获得经锁相放大器22处理后的信号V_O相对调制LED光源的辐射E_t的衰减程度，来测量大气能见度。

在通常的测量系统中为了得到方波辐射输出采用机械调制器的对光源输出进行光调制，采用这种方式的需要是增加机械结构使得系统更为复杂且调制出的波形不够理想。采用电子学调制方式的优点在于，调制波形理想、输出同步信号与辐射信号位相关系稳定，且具有电路简单不增加额外的机械结构和LED功耗低等优点。

Claims (3)

1.能见度仪中屏蔽背景辐射的方法，该能见度仪中设置有光学发射端和光学接收端，其特征在于，该方法包括：调制该发射端的LED光源，使其发出固定频率的方波辐射信号，同时向所述接收端的探测器放大电路发出与所述方波辐射信号具有同相位、同频率的电子学同步信号，由该放大电路滤除包括背景辐射在内的工作频率以外的所有信号，通过获得经放大电路处理后的信号相对调制LED光源的辐射信号的衰减来测量大气能见度。

2.如权利要求1所述的能见度仪中屏蔽背景辐射的方法，其特征在于，脉冲生成电路、功率放大电路和所述LED光源依次连接，所述脉冲生成电路产生脉冲信号，该脉冲信号通过所述功率放大电路来驱动LED光源，同时，脉冲生成电路与所述接收端的探测器放大电路相连接，将该脉冲信号作为所述同步信号发送给该放大电路。

3.如权利要求1所述的能见度仪中屏蔽背景辐射的方法，其特征在于，所述接收端的探测器放大电路为锁相放大器。