CN104792743A - 全天候长距离透射式大气能见度仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了全天候长距离透射式大气能见度仪，包括光学发射器和光学接收器；发射器包括第一密封腔和第一外壳，第一密封腔内设置有LED光源和调制光驱动器，LED光源在调制光驱动器的作用下发出固定频率的方波辐射；接收器包括第二密封腔和第二外壳，第二密封腔内设置有探测器和与其连接的探测器放大电路，探测器用于接收发射器发出的光辐射，探测器放大电路接收同步信号，以同步信号为基准并对经过探测器转换的信号进行处理，以此去除背景辐射。利用了背景辐射多为直流或低频辐射的特点，调制LED光源发出固定频率的辐射信号，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

全天候长距离透射式大气能见度仪

技术领域

本发明涉及气象领域中气象光学视距的测量装置，特别是一种全天候长距离透射式大气能见度仪。

背景技术

气象光学视距测量装置主要用于飞机跑道、航运、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。前向散射测量法通过测量接收器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％时的最远距离，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。

目前，机场、海面、港口等应用的气象光学视距的获取主要以目视观测为主，既不科学也不准确。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种全天候长距离透射式大气能见度仪，解决了100m远距离下满足大气透过率的测量要求，以适用于长期的野外作业，克服外界环境的变化而对其内部器件的干扰，证测量精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

全天候长距离透射式大气能见度仪，该大气能见度仪包括光学发射器和光学接收器；所述发射器包括第一密封腔和第一外壳，所述第一密封腔内设置有LED光源和调制光驱动器，所述LED光源在所述调制光驱动器的作用下发出固定频率的方波辐射，所述调制光驱动器与所述接收器连接，向接收器发送与所述方波辐射信号具有同相位、同频率的同步信号；接收器包括第二密封腔和第二外壳，所述第二密封腔内设置有探测器和与其连接的探测器放大电路，所述探测器用于接收发射器发出的光辐射，所述探测器放大电路接收所述同步信号，以同步信号为基准并对经过探测器转换的信号进行同步处理，以此去除背景辐射。

进一步，所述接收器的探测器放大电路为锁相放大器。

进一步，所述第一密封腔和所述第二密封腔上设置有玻璃窗，所述玻璃窗的内表面上镀有电加热膜，玻璃窗的外表面上镀有憎水膜/亲水膜，玻璃窗通过压盖压扣在其安装框架上，玻璃窗与所述安装框架之间设置有环形压圈，所述压圈面向玻璃窗的一侧嵌装有“O”型密封圈，安装框架在面向压圈的一侧嵌装有另一“O”型密封圈，两个“O”型密封圈挤压压圈使玻璃窗与其安装框架之间气密封。

进一步，所述第一密封腔和所述第二密封腔内部通有高于环境大气压力的惰性气体，第一密封腔与所述第一外壳通过支撑柱连接，并悬置于第一外壳中，所述第二密封腔与所述第二外壳之间同样通过支撑柱连接，并悬置于第二外壳中，在第一密封腔和第二密封腔连接有半导体制冷装置和电加热带，第一密封腔和第二密封腔外侧包覆有保温层。

进一步，所述第一密封腔和所述第二密封腔中设置有温度传感器，所述温度传感器与温控开关连接，所述温控开关与所述半导体制冷装置和所述电加热带连接，温度开关器接收温度传感器的温度信号，并根据该温度信号与预设阀值进行比较，进而控制半导体制冷装置或电加热带使内腔保持恒温。

进一步，所述第一密封腔和所述第二密封腔中设置有湿度传感器和压力传感器，所述湿度传感器和所述压力传感器与PC端连接，将湿度信息和压力信息反馈给所述PC端。

进一步，所述半导体制冷装置连接有散热风扇，该散热风扇安装在所述第一外壳和所述第二外壳的外侧的风道内，该风道的进口连接大气，出口分别位于发射器的玻璃窗和接收器的玻璃窗附近，使气流吹在这两个玻璃窗的外表面。

进一步，所述风道的出口小于风道的进口；所述散热风扇位于所述发射器和所述接收器的后部，风道的出口位于所述光路发射窗口和所述光路接收窗口的上方，且位于遮阳罩内。

进一步，在所述发射器和所述接收器上安装有光路校准装置，该光路校准装置包括发出在阳光下可见的单色光束的激光器和靶面，所述激光器安装在发射器上，激光器发出的单色光束与发射器发射光路轴线相平行，所述靶面安装接收器上，根据单色光束照射在靶面上的光斑调节所述发射器和所述接收器的相对位置，使发射器发出光路覆盖在接收器上。

进一步，所述激光器通过其安装座装于所述发射器的正下方，所述靶面设置在所述接收器的正下方，靶面上设置有靶心，所述靶心到接收器的光路轴线距离与激光器到发射器的光路轴线的距离相等。

进一步，所述激光器为能够发出绿光的激光器。

本发明的全天候长距离透射式大气能见度仪的有益效果在于：利用了背景辐射多为直流或低频辐射的特点，调制LED光源使其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；由于接收端的调制驱动完全由电子学信号产生，且LED光源具有较高的时间响应速度特点，因此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；在玻璃窗上设置了电加热膜和憎水膜/亲水膜，防止环境空气中的水份在玻璃窗表面结霜、结露，保护玻璃窗始终保持干燥，提高大气能见度仪的测量精度，使其能够适应常年户外工作；利用半导体制冷装置和电加热带来调节内腔中的温度，使其保持在设定的工作温度范围内，气体密封的内腔能够避免外界湿度和气压变化对内部元器件和窗口内表面的影响，通入氮气避免内部元器件的老化，压力高于大气压能够在使用中保证环境空气不会进入内腔，由已知热阻材料制成的支撑柱和保温层能够降低内腔与外界的传热；利用半导体制冷装置的散热风扇作为动力源，将经过散热风扇的热风送至发射器的光路发射窗口和接收器的光路接收窗口，经过散热风栅的气流温度会提升到40-60℃，利用这股热气流来驱散停落在窗口上的蚊虫，有效利用了原本废弃的动能和热能；风道出口缩口能够在风扇风量不变的前提下提高风压，使蚊虫更不容易停落在窗口镜片前或者飞入风道内部；利用平行于发射器发出光路的彩色光束，来校准发射器和接收器，使操作人员能够在白天进行调试和安装。

附图说明

图1为本发明中发射器的断面视图；

图2为图1中A处局部放大视图；

图3为图1中玻璃窗8的结构示意图；

图4为本发明中接收器的断面视图；

其中，1遮阳罩、2风道出口、3风道、4半导体制冷装置、5散热器、6散热风扇、7风道进口、8玻璃窗、9激光器、10激光器安装座、11靶面、12压圈、13发射透镜、14接收透镜、15压盖、16玻璃窗安装框架、17环形槽、18“O”型密封圈、19第一密封腔、20第一外壳、21调制光驱动器、22LED光源、23温控开关、24温度传感器、25支撑柱、26锁相放大器、27探测器、28第二外壳、29第二内腔、30电加热带、81电加热膜、82憎水膜。

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、图2、图3和图4所示为本发明全天候长距离透射式大气能见度仪的具体实施例。全天候长距离透射式大气能见度仪包括光学发射器(参见图1)和光学接收器(参见图2)；发射器包括第一密封腔19和第一外壳20，第一密封腔19内设置有LED光源22和调制光驱动器21，LED光源22在调制光驱动器21的作用下发出固定频率的方波辐射，调制光驱动器21较为常见可以是脉冲生成电路和功率放大电路，由脉冲生成电路产生脉冲信号，该脉冲信号通过功率放大电路来驱动LED光源22。调制光驱动器21还与接收器连接，向接收器发送与方波辐射信号具有同相位、同频率的电同步信号；接收器包括第二密封腔29和第二外壳28，第二密封腔29内设置有探测器27和与其连接的探测器放大电路，在本实施例中优选为锁相放大器26，探测器27用于接收发射器发出的光辐射，锁相放大器26接收同步信号，以同步信号为基准并对经过探测器27转换的信号进行处理，以此去除背景辐射。将锁相放大器的输出信号传送给远端PC机进行计算，即可得出大气能见度。

在第一密封腔19和第二密封腔29上设置有玻璃窗8，发射器和接收器的玻璃窗8结构相同，下面以发射器为例详细描述，玻璃窗8靠近发射透镜13的表面为内侧面，另一面为外侧面(第二密封腔29上的玻璃窗8靠近接收透镜14的表面为内侧面)，玻璃窗8的内表面上镀有电加热膜81，玻璃窗8的外表面上镀有憎水膜84，还可以镀一层与憎水膜84功能类似的亲水膜。玻璃窗8通过压盖15压扣在其安装框架16上，玻璃窗8与安装框架16之间设置有环形压圈12，压圈12面向玻璃窗8的一侧嵌装有“O”型密封圈18，安装框架16在面向压圈12的一侧嵌装有另一“O”型密封圈18，两个“O”型密封圈18挤压压圈12使玻璃窗8与其安装框架16之间气密封。

憎水膜84能够有效避免结露，亲水膜能够将水珠汇聚，有助于水珠从玻璃窗8滑落，电加热膜81不间断地工作保持玻璃窗8始终保持干燥，提高大气能见度仪的测量精度，使其能够适应常年户外工作。

第一密封腔19和第二密封腔29的内部通有高于环境大气压力的惰性气体，在本实施例中惰性气体优选为氮气，第一密封腔19与第一外壳20通过支撑柱25连接，并悬置于第一外壳20中，第二密封腔29与第二外壳28之间同样通过支撑柱25连接，并悬置于第二外壳28中，支撑柱25由热阻材料制成，减少热传递。在第一密封腔19和第二密封腔29中连接有半导体制冷装置4和电加热带30。在第一密封腔19和第二密封腔29中还设置有温度传感器24，温度传感器24与温控开关23连接，温控开关23与半导体制冷装置4和电加热带30连接，温度开关器23接收温度传感器24的温度信号，并根据该温度信号与预设阀值进行比较，进而控制半导体制冷装置4或电加热带30使第一密封腔19和第二密封腔29保持恒温。第一密封腔19和第二密封腔29外侧包覆有保温层，保温层，本实施例中保温层为聚氨酯发泡材料制成，填充第一密封腔19与第一外壳20之间，以及第二密封腔29与第二外壳28之间。第一密封腔19和第二密封腔29中还设置有湿度传感器和压力传感器，湿度传感器和压力传感器与远程的PC端连接，将湿度信息和压力信息反馈给PC端。

在第一密封腔19和第二密封腔29中的半导体制冷装置4连接有散热器5，散热器5下方设置有散热风扇6，玻璃窗8位于发射器或接收器的前部，散热风扇6和散热器5位于发射器的后部的外置风道3内，风道进口7连接大气，风道出口2位于玻璃窗8的上方，且位于遮阳罩1内侧，风道出口2小于风道3进口7，气流走向如图中箭头方向指示，气流从风道进口7吸入风道3，经过散热器5后温度上升，可以达到40-60℃，高温气流从风道出口2流出吹在玻璃窗8的外侧面上。

利用经过散热风扇6的废气热风，来驱散停落在玻璃窗8上的蚊虫；风道出口2缩口能够在风扇风量不变的前提下提高风压，使蚊虫更不容易停落在窗口镜片前或者飞入风道3内部。

在发射器的正下方设置一激光器9，激光器9通过其安装座10安装固定，激光器9发出在白天也可辨识的单色光束，本实施例采用绿光源的激光器9，激光器9发出的单色光束与发射器的光路轴线平行；在接收器的正下方设置有靶面11，靶面11上设置有靶心(图中未示出)，靶心到接收器的光路轴线的距离与激光器8到发射器的光路轴线距离相等。这样当激光器照射在靶面11上的光斑位于靶心时，发射器发出的光路即覆盖在接收器上。

当然，激光器9和靶面11不一定位于发射器和接收器的正下方，还可以位于发射器和接收器的其他位置，如上方。

Claims (10)

1.全天候长距离透射式大气能见度仪，该大气能见度仪包括光学发射器和光学接收器；其特征在于，所述发射器包括第一密封腔和第一外壳，所述第一密封腔内设置有LED光源和调制光驱动器，所述LED光源在所述调制光驱动器的作用下发出固定频率的方波辐射，所述调制光驱动器与所述接收器连接，向接收器发送与所述方波辐射信号具有同相位、同频率的同步信号；接收器包括第二密封腔和第二外壳，所述第二密封腔内设置有探测器和与其连接的探测器放大电路，所述探测器用于接收发射器发出的光辐射，所述探测器放大电路接收所述同步信号，以同步信号为基准并对经过探测器转换的信号进行同步处理，以此去除背景辐射。

2.如权利要求1所述的全天候长距离透射式大气能见度仪，其特征在于，所述接收器的探测器放大电路为锁相放大器。

3.如权利要求1所述的全天候长距离透射式大气能见度仪，其特征在于，所述第一密封腔和所述第二密封腔上设置有玻璃窗，所述玻璃窗的内表面上镀有电加热膜，玻璃窗的外表面上镀有憎水膜/亲水膜，玻璃窗通过压盖压扣在其安装框架上，玻璃窗与所述安装框架之间设置有环形压圈，所述压圈面向玻璃窗的一侧嵌装有“O”型密封圈，安装框架在面向压圈的一侧嵌装有另一“O”型密封圈，两个“O”型密封圈挤压压圈使玻璃窗与其安装框架之间气密封。

4.如权利要求1所述的全天候长距离透射式大气能见度仪，其特征在于，所述第一密封腔和所述第二密封腔内部通有高于环境大气压力的惰性气体，第一密封腔与所述第一外壳通过支撑柱连接，并悬置于第一外壳中，所述第二密封腔与所述第二外壳之间同样通过支撑柱连接，并悬置于第二外壳中，在第一密封腔和第二密封腔连接有半导体制冷装置和电加热带，第一密封腔和第二密封腔外侧包覆有保温层。

5.如权利要求4所述的全天候长距离透射式大气能见度仪，其特征在于，所述第一密封腔和所述第二密封腔中设置有温度传感器，所述温度传感器与温控开关连接，所述温控开关与所述半导体制冷装置和所述电加热带连接，温度开关器接收温度传感器的温度信号，并根据该温度信号与预设阀值进行比较，进而控制半导体制冷装置或电加热带使内腔保持恒温。

6.如权利要求4所述的全天候长距离透射式大气能见度仪，其特征在于，所述第一密封腔和所述第二密封腔中设置有湿度传感器和压力传感器，所述湿度传感器和所述压力传感器与PC端连接，将湿度信息和压力信息反馈给所述PC端。

7.如权利要求4所述的全天候长距离透射式大气能见度仪，其特征在于，所述半导体制冷装置连接有散热风扇，该散热风扇安装在所述第一外壳和所述第二外壳的外侧的风道内，该风道的进口连接大气，出口分别位于发射器的玻璃窗和接收器的玻璃窗附近，使气流吹在这两个玻璃窗的外表面。

8.如权利要求7所述的全天候长距离透射式大气能见度仪，其特征在于，所述风道的出口小于风道的进口；所述散热风扇位于所述发射器和所述接收器的后部，风道的出口位于所述光路发射窗口和所述光路接收窗口的上方，且位于遮阳罩内。

9.如权利要求1所述的全天候长距离透射式大气能见度仪，其特征在于，在所述发射器和所述接收器上安装有光路校准装置，该光路校准装置包括发出在阳光下可见的单色光束的激光器和靶面，所述激光器安装在发射器上，激光器发出的单色光束与发射器发射光路轴线相平行，所述靶面安装接收器上，根据单色光束照射在靶面上的光斑调节所述发射器和所述接收器的相对位置，使发射器发出光路覆盖在接收器上。

10.如权利要求9所述的全天候长距离透射式大气能见度仪，其特征在于，所述激光器通过其安装座装于所述发射器的正下方，所述靶面设置在所述接收器的正下方，靶面上设置有靶心，所述靶心到接收器的光路轴线距离与激光器到发射器的光路轴线的距离相等。