CN105301674A - 气象光学视程检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气象光学视程检测装置。它的光源光路上置有平行光发射器(2)、发射光强取样器、光路增程器、光接收器和数据处理器(9)，其中，光源为白色光源(1)，平行光发射器(2)为伽利略望远镜，光路增程器为长度≥10m、内置浊度仪(36)的气象光学视程观测环境模拟舱(3)，该模拟舱(3)的控制端与数据处理器(9)电连接，其纵向两侧壁上分别置有入光孔(31)、初级平面反射镜(4)、次级平面反射镜(6)、末级平面反射镜(5)和出光孔(35)，光接收器由光学天线(7)和电信号检测器(8)组成。它能于工作基线为10m的空间中实现透射式能见度的测量范围为10m～30km，可广泛地用于对能见度仪测量的准确性和一致性进行检测。

Description

气象光学视程检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，尤其是一种气象光学视程检测装置。

背景技术

能见度是反映大气透明度的一个指标，气象上指具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够从天空背景中看到和辨认出目标物的最大水平距离，它可以客观地测量并用气象光学视程来表示。世界气象组织(WMO)对气象光学视程的定义是色温为2700K的白炽灯的平行光束的光通量削弱为其初始值的0.05时所需通过的大气路径长度。

在自动化观测中，通常用大气水平透过率定义的气象光学视程表示能见度。一般而言，气象光学视程的观测设备主要有前向散射式能见度仪、透射式能见度仪和照相式能见度仪。目前，在气象、公路交通部门主要使用前向散射式能见度仪测量气象光学视程值。2008年世界气象组织仪器和观测方法委员会(CIMO)在《气象仪器和观测方法指南(第七版)》中指出，低能见度时，透射式能见度仪的测量精度远高于前向散射式能见度仪。这是因为前向散射式能见度仪测量非常小体积的采样空间的散射系数时忽略了吸收，把散射系数认为等同于消光系数；由于忽略了吸收，所以存在系统误差。由光源和其光路上的平行光发射器、发射光强取样器和光接收器以及数据处理器组成的透射式能见度仪，在测得发射光强和接收光强以及已知的光程后，由数据处理器根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)原理和柯西密德(Koschmieder)原理得出气象光学视程值，由于其测量平行光束因散射和吸收造成的光衰减，跟气象光学视程的定义最吻合，故测量的准确度最高。可是，若将现有的透射式能见度仪作为能见度的标准仪器使用，则仍存在着不足之处，一是需要较长的基线长度，如芬兰Vaisala公司的LT31型透射式能见度仪的工作基线范围是30～70m，美国LPV3型透射式能见度仪的工作基线距离为500～1000m，这些设备均难以在有限的室内空间使用，不利于用作高精度参考设备对前向散射式能见度仪进行实验室检测；二是测量的上限过低，无法检定前向散射式能见度仪，根据中国气象局《前向散射式能见度仪观测规范》对气象光学视程测量范围的要求为10m～30km，而现有的透射式能见度仪的测量范围仅为10m～10km，其测量范围不能满足用于检定前向散射式能见度仪的要求。

为解决较长的基线需要较大的室内空间的难题，人们做出了一些努力，如中国实用新型专利CN203479700U于2014年3月12日公告的一种微调式长光程气体检测装置。该专利中记载的装置为密闭气室内置有发射面相对设置的第一凹面镜和第二凹面镜，以及第一凹面镜的两侧分别设有微调式反射镜、平行光发射器和光电传感器；其中的平行光发射器与光纤连接，光电传感器经数据线与激光气体浓度分析仪电连接。测量时，光纤引入的待测气体的吸收光谱在两只凹面镜间多次反射并经微调式反射镜后，射向光电传感器。这种长光程气体检测装置虽可实现增大待测气体吸收光谱的光程，却也存在着不足之处，首先，不能准确地确定光程的长度，难以获得精确的测量结果；其次，无法解决透射式能见度仪测量上限仅为10km之难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种能于工作基线为10m的空间中实现透射式能见度的测量范围为10m～30km，以用于对能见度仪测量的准确性和一致性进行检测的气象光学视程检测装置。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：气象光学视程检测装置包括光源和其光路上的平行光发射器、发射光强取样器、光接收器和数据处理器，特别是，

所述发射光强取样器与光接收器间串接有光路增程器；

所述光源为输出波长450～750nm的白色光源；

所述平行光发射器为伽利略望远镜，其组合焦距的焦点位于白色光源处、输出端外沿处置有发射光强取样器；

所述光路增程器为长度≥10m、内置有输出端与数据处理器电连接的浊度仪的气象光学视程观测环境模拟舱，所述气象光学视程观测环境模拟舱的控制端与数据处理器电连接，其纵向两侧壁上分别置有位于伽利略望远镜输出光路上的入光孔、初级平面反射镜、次级平面反射镜、末级平面反射镜和出光孔；

所述光接收器由光学天线和电信号检测器组成，所述光学天线由串接的牛顿望远镜和光学积分球，以及位于光学积分球内壁上的光敏探测器组成，所述电信号检测器由分别与发射光强取样器、光敏探测器的输出端电连接的电信号检波器组成；

所述数据处理器由微型计算机和接口组成。

作为气象光学视程检测装置的进一步改进：

优选地，白色光源为色温3000K、输出光功率≤10mW的LED白色光源，其工作模式为频率2kHz、占空比50％的光脉冲；不仅利于减小体积和降低温升，较高频率的光源也利于更好的滤除测量环境中的背景光干扰。

优选地，伽利略望远镜输入端的通光口径为15mm、输出端的通光口径为55mm；利于获得较大光截面的输出。

优选地，发射光强取样器和光敏探测器均为硅基光电二极管。

优选地，初级平面反射镜、次级平面反射镜和末级平面反射镜分别置于气象光学视程观测环境模拟舱纵向两侧壁上置有的位于入光孔输出光路上的初级透光孔、次级透光孔和末级透光孔上；便于光路的调整。

优选地，浊度仪为位于三维移动平台上的并列设置的两台三波长浊度仪；除易于确保三波长浊度仪能测得环境模拟舱内不同位置的气象光学视程之外，还利于印证测量的准确性。

优选地，牛顿望远镜的接收口径为254mm，其组合焦距的焦点位于光学积分球的进光孔处；既利于降低发射端和接收端之间光轴的对准难度，又实现了光束无遮挡的全接收，减少了因光束散射造成的测量误差，还确保了接收到的光信号无损耗。

优选地，光敏探测器为均匀分布于光学积分球内壁上的三只；使用相互印证的三只同时独立运行的光敏探测器来测量同一空气样本，利于大大地提高测量数据的可信程度。

优选地，电信号检波器由串接的均方根检波式电压测量器和A/D转换器组成；利于降低电路噪声和背景光干扰所引起的测量误差。

优选地，接口为RS232串口控制卡。

优选地，气象光学视程观测环境模拟舱中置有输出端与数据处理器电连接的待标定设备，其中，待标定设备为散射式能见度仪，或透射式能见度仪，或激光能见度自动测量仪，或照相式能见度仪。

相对于现有技术的有益效果是：

其一，光源采用白色广谱光源，使测量光路在透镜焦平面处的色散效应较弱，提高了气象光学视程的测量准确度。

其二，平行光发射器使用伽利略望远镜，保证了发射光源的平行度。

其三，长度≥10m的气象光学视程观测环境模拟舱和其上置有的三只平面反射镜，不仅使工作基线在10m的空间中得到了确定长度的延伸，使其得以在有限的室内空间使用，同时也增大了光信号转换成电信号后电流和电压的变化范围，提高了测量的精度，更由于通过数据处理器控制环境模拟舱内湿度的大小，实现了在密闭空间中快速、可控地模拟出10m～30km的气象光学视程观测环境，为实现透射式能见度的测量范围高达30km奠定了良好的基础。

其四，将气象光学视程≥15km时浊度仪测定的散射系数值等效为消光系数值来进行装置的系统常数定标，装置的系统常数适用于10m～30km全量程内测得的原始信号，极大地提高了透射式气象光学视程测量的范围、准确度和可靠性。

其五，牛顿望远镜的大口径接收端提高了对光束信号几何位置漂移的适应能力，经计算，其稳定性提高了10倍以上。

其六，使用积分球收集光信号，既降低了因建筑物震动、空气湍流使光斑抖动产生的测量误差，又使光敏探测器的光敏面始终被积分球内的散射光所充满，降低了因光敏探测器位于不同位置时其响应不一致造成的误差。

本装置基于以上技术措施的有机整合，于10m的工作基线中实现了透射式能见度的测量范围为10m～30km，突破了现有的透射式能见度仪测量上限仅为10km和浊度仪测量下限≤10km时误差大之束缚。经实测与比对，测量的误差仅为±5％，完全可用于对能见度仪测量的准确性和一致性的检测。

附图说明

图1是本发明的一种基本结构示意图。

图2是由分布于光学积分球内壁上三只光敏探测器中的一只与电信号检波器串接组成的第一通道测得的气象光学视程曲线与浊度仪测得的气象光学视程曲线的对比图。

图3是以浊度仪测得的气象光学视程为约定真值时，第一通道测量的不确定度。

图4是由分布于光学积分球内壁上三只光敏探测器中的另一只与电信号检波器串接组成的第二通道测得的气象光学视程曲线与浊度仪测得的气象光学视程曲线的对比图。

图5是以浊度仪测得的气象光学视程为约定真值时，第二通道测量的不确定度。

图6是由分布于光学积分球内壁上三只光敏探测器中的又一只与电信号检波器串接组成的第三通道测得的气象光学视程曲线与浊度仪测得的气象光学视程曲线的对比图。

图7是以浊度仪测得的气象光学视程为约定真值时，第三通道测量的不确定度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

参见图1，气象光学视程检测装置的构成如下：

白色光源1的光路上依次置有平行光发射器2、发射光强取样器、光路增程器、光接收器和数据处理器9。其中，

白色光源1的输出波长为450～750nm、色温为3000K、输出光功率≤10mW，其工作模式为频率2kHz、占空比50％的光脉冲。

平行光发射器2为组合焦距的焦点位于白色光源1处的伽利略望远镜，该伽利略望远镜光输入端的通光口径为15mm、输出端的通光口径为55mm。发射光强取样器为置于伽利略望远镜输出端外沿处的硅基光电二极管。

光路增程器为长度10m、其纵向两侧壁上分别置有位于伽利略望远镜输出光路上的入光孔31、初级透光孔32、初级平面反射镜4、次级透光孔33、次级平面反射镜6、末级透光孔34、末级平面反射镜5和出光孔35的气象光学视程观测环境模拟舱3；其中，初级平面反射镜4、次级平面反射镜6和末级平面反射镜5分别置于初级透光孔32、次级透光孔33和末级透光孔34上。气象光学视程观测环境模拟舱3内置有输出端均与数据处理器9电连接的浊度仪36和待标定设备38；其中，浊度仪36为位于三维移动平台37上的并列设置的两台三波长浊度仪，待标定设备38为散射式能见度仪(或透射式能见度仪，或激光能见度自动测量仪，或照相式能见度仪)。气象光学视程观测环境模拟舱3的控制端与数据处理器9电连接。

光接收器由光学天线7和电信号检测器8组成。其中，光学天线7由串接的牛顿望远镜和光学积分球，以及均匀分布于光学积分球内壁上的三只光敏探测器组成，其中的牛顿望远镜的接收口径为254mm，其组合焦距的焦点位于光学积分球的进光孔处，三只光敏探测器均为硅基光电二极管；电信号检测器8由分别与一只发射光强取样器、三只光敏探测器的输出端电连接的四只电信号检波器组成，每只电信号检波器均由串接的均方根检波式电压测量器和A/D转换器组成。

数据处理器9由微型计算机和接口组成，其中的接口为RS232串口控制卡。

气象光学视程检测装置工作时，白色光源1经平行光发射器2后，变为发射光斑直径50mm、发散角小于1mrad的平行光，并进入气象光学视程观测环境模拟舱3，在舱中模拟的10m～30km的气象光学视程观测环境下，历经初级平面反射镜4、次级平面反射镜6和末级平面反射镜5的反射后，到达牛顿望远镜时的接收光斑直径约85mm。之后，光斑直径约85mm的接收光经光学积分球和均匀分布于其内壁上的三只光敏探测器变换为接收光强的电信号后，经电信号检测器8连同发射光强取样器的输出一起送往数据处理器9。数据处理器9将发射光强、接收光强、平行光发射器与光接收器的间距，以及事先由浊度仪36标定的气象光学视程为15km时本装置的系统常数，根据朗伯-比尔原理和柯西密德原理得到如图2、图4和图6所示的相应光程的气象光学视程。

其中，得出由浊度仪36标定的气象光学视程为15km时本装置的系统常数的过程为，先取两台三波长浊度仪所测量的气象光学视程观测环境模拟舱3中空气样本的散射系数的算术平均值作为当时的散射系数，认定当气象光学视程观测环境模拟舱3中气象光学视程为15km时，空气样本的散射系数等于消光系数。再将由装置测得的发射光强和接收光强，以及已知的消光系数、平行光发射器与光接收器的间距代入朗伯-比尔原理公式I＝CI₀exp(-σL)，式中的I为接收光强、C为系统常数、I₀为发射光强取样器检测到的发射光强、σ为消光系数、L为光发射器与光接收器的间距，得出系统常数C。

之后，以系统常数C作为装置的大气水平透过率的定标值，装置测得的发射光强和接收光强，以及已知的消光系数、平行光发射器与光接收器的间距，由柯西密德原理公式再结合朗伯-比尔原理公式即可得到如图2、图4和图6所示的相应光程的气象光学视程。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的气象光学视程检测装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种气象光学视程检测装置，包括光源和其光路上的平行光发射器(2)、发射光强取样器、光接收器和数据处理器(9)，其特征在于：

所述发射光强取样器与光接收器间串接有光路增程器；

所述光源为输出波长450～750nm的白色光源(1)；

所述平行光发射器(2)为伽利略望远镜，其组合焦距的焦点位于白色光源(1)处、输出端外沿处置有发射光强取样器；

所述光路增程器为长度≥10m、内置有输出端与数据处理器(9)电连接的浊度仪(36)的气象光学视程观测环境模拟舱(3)，所述气象光学视程观测环境模拟舱(3)的控制端与数据处理器(9)电连接，其纵向两侧壁上分别置有位于伽利略望远镜输出光路上的入光孔(31)、初级平面反射镜(4)、次级平面反射镜(6)、末级平面反射镜(5)和出光孔(35)；

所述光接收器由光学天线(7)和电信号检测器(8)组成，所述光学天线(7)由串接的牛顿望远镜和光学积分球，以及位于光学积分球内壁上的光敏探测器组成，所述电信号检测器(8)由分别与发射光强取样器、光敏探测器的输出端电连接的电信号检波器组成；

所述数据处理器(9)由微型计算机和接口组成。

2.根据权利要求1所述的气象光学视程检测装置，其特征是白色光源(1)为色温3000K、输出光功率≤10mW的LED白色光源，其工作模式为频率2kHz、占空比50％的光脉冲。

3.根据权利要求1所述的气象光学视程检测装置，其特征是伽利略望远镜输入端的通光口径为15mm、输出端的通光口径为55mm。

4.根据权利要求1所述的气象光学视程检测装置，其特征是发射光强取样器和光敏探测器均为硅基光电二极管。

5.根据权利要求1所述的气象光学视程检测装置，其特征是初级平面反射镜(4)、次级平面反射镜(6)和末级平面反射镜(5)分别置于气象光学视程观测环境模拟舱(3)纵向两侧壁上置有的位于入光孔(31)输出光路上的初级透光孔(32)、次级透光孔(33)和末级透光孔(34)上。

6.根据权利要求1所述的气象光学视程检测装置，其特征是浊度仪(36)为位于三维移动平台(37)上的并列设置的两台三波长浊度仪。

7.根据权利要求1所述的气象光学视程检测装置，其特征是牛顿望远镜的接收口径为254mm，其组合焦距的焦点位于光学积分球的进光孔处。

8.根据权利要求1所述的气象光学视程检测装置，其特征是光敏探测器为均匀分布于光学积分球内壁上的三只。

9.根据权利要求1所述的气象光学视程检测装置，其特征是电信号检波器由串接的均方根检波式电压测量器和A/D转换器组成。

10.根据权利要求1所述的气象光学视程检测装置，其特征是气象光学视程观测环境模拟舱(3)中置有输出端与数据处理器(9)电连接的待标定设备(38)，其中，待标定设备(38)为散射式能见度仪，或透射式能见度仪，或激光能见度自动测量仪，或照相式能见度仪。