CN109187357A - 一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法，测量系统包括电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和上位机，其中，电源模块用于模拟电路模块和数字电路模块的供电，模拟电路模块用于将光信号转换为可靠的电信号，数字电路模块用于连接模拟电路模块和上位机，并控制调节环境温度和湿度；上位机用于对数据进行处理和存储。本发明电路结构简单，便携性好，即插即用，测量精度高，可以实时显示并处理数据，并可直接按时间提取处理数据。

Description

一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及能见度与湍流的测量系统及方法，具体的涉及一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法。

背景技术

能见度与湍流是大气研究中的两个重要参数，是空气质量预报、气候环境模式和边界层研究中重要的气象因子。能见度反映大气的浑浊程度，对近地面污染程度有重要参考价值。大气能见度与大气透明度有关，它反映了大气消光或衰减特性，直接关系到气溶胶的负荷。大气能见度表征了大气污染的严重程度，是大气环境预测和污染监测中的一个重要气象参数。大气湍流是大气中运动的重要形式之一，其强度由大气折射率结构常数定量描述。大气湍流是目前尚未解决的世纪问题，许多科学家们都致力于大气湍流的研究，特别是光在湍流大气中传播的问题是大气光学中最困难的部分之一。

测量大气能见度的仪器主要分为前向散射式能见度仪和透射式能见度仪。前向散射式能见度仪具有安装方便、结构紧凑、体积小、成本低的优点，但是其测量原理导致其测量误差较大。透射式能见度仪直接探测大气的透过率，测量精度比较高，但是并未考虑到大气流场的影响，容易造成测量偏差。造成这种偏差的主要原因是气溶胶粒子与湍流气团之间的相互阻力，从而影响了传输测量。因而一个可以同时测量能见度与湍流的系统非常重要。

仅仅是单独的能见度仪或者闪烁仪成本都非常高，其成本都非常高。成本无非是发射端与接收端的光路设计，还有接收端的传感器，电路，采集模块。其中为了保证测量精度，传感器与采集这块花费了很大的成本。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种测量精度高且成本低的大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种大气能见度与湍流同步测量系统，包括：电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和上位机，其中，电源模块用于模拟电路模块和数字电路模块的供电，模拟电路模块用于将光信号转换为可靠的电信号，数字电路模块用于连接模拟电路模块和上位机，并控制调节环境温度和湿度；上位机用于对数据进行处理和存储。

优选的，所述模拟电路模块包括光电变换电路、I/V转换电路、电压放大电路、滤波电路和电压跟随器，光电变换电路将接收到的入射光转换为电流信号输出给I/V转换电路，I/V转换电路将接收到的电流信号转换为电压信号，然后经过电压放大电路后输出放大信号至滤波电路，经过滤波后的电压信号输入至电压跟随器，然后输出至数字电路模块。

优选的，所述数字电路模块包括单片机、温度湿度感应模块和USB接口模块，其中单片机内置A/D转换模块，模拟电路模块输入的模拟电压信号经过该A/D转换模块后转换为单片机可以处理的数字信号，另一方面，温度湿度感应模块将采集到的大气温度湿度信息传递给单片机，单片机对接收到的电信号和温度湿度信号进行处理后，通过USB接口模块输出信号至上位机；同时，单片机将上位机的指令反馈给温度湿度感应模块，反过来调节测量仪器内的环境温度与环境湿度。

优选的，所述上位机包括数据处理模块、存储模块、显示模块和历史数据处理模块，其中显示模块包括能见度显示、消光系数显示和显示，上位机接收到数字电路模块发送来的数字信号后，经过数据处理模块的处理后一方面储存至存储模块，另一方面通过显示模块进行能见度、消光系数和的显示；历史数据处理模块根据需要直接按时间提取存储模块中的数据并进行数据处理。

本发明另一实施例中，一种采用上述大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法，包括以下步骤：

(1)模拟电路模块接收光信号，并对其进行处理，最终转换为电压信号；

(2)数字电路模块对模拟电路模块输出的电压信号以及采集的温度湿度信号进行处理及控制，并输出数字信号给上位机；

(3)上位机对接收到的数字信号进行处理并存储和显示。

进一步的，所述步骤(1)中光信号通过光电二极管转换为电流信号，然后经过I/V变换，转换成电压信号，再经过放大滤波电压跟随之后进入单片机的A/D转换模块；其中：

光信号通过光电二极管变成电流信号，通过I/V模块，得到电压U₁＝I*R₁；经过放大模块得到电压U₂＝(1+R₃/R₂)U₁；然后经过GIC带通滤波器，电路中通带放大倍数H₀，中心频率ω₀，品质因数Q₀，分别由以下三个公式给出：

其中，R7＝R8，R5＝R6，C2＝C3；

故公式简化为：H₀＝2，

进一步的，所述步骤(2)中模拟电压经过单片机内置A/D变成数字信号，温度湿度感应模块是I²C接口，输出温度湿度信号，单片机将这些信号传入上位机；

单片机处理时关闭看门狗，初始化时钟，初始化串口，初始化I²C，开启定时器；开启中断，然后一直扫描缓冲区，将缓冲区的数据按顺序传到上位机；

中断函数有两个，一个定时中断，一个串口中断，定时中断是一分钟中断一次，中断函数里就是读取I²C的温度湿度数据并将标志位flag置位true，表示温度湿度数据已经更新，也就是说每分钟更新一次温度与湿度；

在串口中断里，首先像PC端发送确认，等待PC端确认，如果等待超时，则继续发送确认；如果等到了PC端的确认，则开始检测标志位，如果标志位是true，代表温度湿度数据已经更新，放入缓冲区，并将标志位置成false，表示数据已经被读取；如果标志位是false，表示温度湿度数据没有更新，则将A/D的数据放入缓冲区。

进一步的，所述步骤(3)中：

上位机初始化后，开始进行参数配置，然后开始检测串口，检测到串口后，开始检测串口是否收到单片机发来的确认指令，如果没检测到，则继续检测，如果检测到了，则开始像单片机发送一个确认指令，然后开始等待接收数据，如果等待超时，则再次像单片机发送确认指令；如果有数据过来，则需要判断是温度湿度数据，如果是温度湿度数据，则直接读取，显示在屏幕，并存入数据库；如果不是，则分别调用算能见度，消光系数的函数，算出相应的能见度，消光系数，在屏幕上画出曲线，并存入数据库。

更进一步的，所述能见度、大气结构常数和消光系数的计算为：

能见度：

根据布格-朗伯(Bouguer-Lambert)定律，平行光在大气中的衰减与距离跟消光系数呈负相关，公式为：

F＝F₀e^-σL (4)；

其中，σ为消光系数，L为基线长度，F₀为L＝0时的光通量；如果用MOR表示气象光学视程，即光通量衰减至5％所经过的距离，则：

又因为光强I是指点光源在给定方向上单位立体角内发出的光通量，所以：

F/F₀＝I/I₀ (6)；

光电变换中电信号U与入射光信号I成正比，故：

I/I₀＝U/U₀ (7)；

由上面公式不难看出，只要求得了原始电压U₀，与消光过后的电压U，就可以求出能见度：

消光系数：

大气折射率结构常数计算：

由光传输理论可得，波长为λ的球面波经过大气湍流进行传播，光强为I，在传播距离L处，直径为D的孔径内接受的对数光强起伏方差为：

其中，k为光波数，且k＝2π/λ；γ＝z/L为球面波的传播因子；κ为空间波数；F(κ)是孔径滤波函数，对于内外径之比为ε的圆环接收孔径，F(κ)为：

Φ_n(κ)表示折射率起伏的空间谱密度，可表示为：

其中，即为大气折射率结构常数，f(κl₀)为描述内尺度效应的因子；

在已知的弱起伏条件下，对数光强起伏方差等于闪烁指数：

将(11)、(12)、(13)代入(10)可得：

的计算公式为：

由上面的的计算公式可知，k、L、D都是常量，所以主要是求而由定义式：

可知与光强的波动方差有关，而光强正比于电压，故只要求出电压U的波动方差即可得出进而求出

因此能见度MOR，消光系数σ，大气折射率结构常数都可以由电压U、U₀求出；求出三个值即通过曲线或者数字的形式显示在曲线上并保存下来。

有益效果：与现有技术相比，本发明用二极管代替光电倍增管作为传感器，因为二极管虽然灵敏性没倍增管高，但是测量范围比倍增管大，使用强光光源有利于提高信噪比，提高测量精度。由于接收信号的频率并不高，所以完全用不到采集卡与工控机，只需要一个高精度A/D加一个单片机就可以处理这些模拟信号，而用USB接收数据，则非常便捷可靠，即插即用，这些电路完全可以集成到一个小箱子里，提高了便携性。专门为此设计的软件，提供了常见的数据处理与显示，更好便捷的使用数据，不但可以实时显示并处理数据，并且可直接按时间提取数据处理数据。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2a和图2b是模拟电路部分电路结构图；

图3是数字电路部分电路结构图；

图4是本发明方法流程图；

图5是本发明实施例中测量结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案，基础原理及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种大气能见度与湍流同步测量系统，包括电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和上位机，其中，电源模块用于模拟电路模块和数字电路模块的供电，模拟电路模块用于将光信号转换为可靠的电信号，数字电路模块用于连接下位机(即模拟电路模块)和上位机，并控制调节环境温度和湿度；上位机用于对数据进行处理和存储。

模拟电路模块包括光电变换电路、I/V转换电路、电压放大电路、滤波电路和电压跟随器，如图2a所示，光电变换电路为光电传感器，其将接收到的入射光转换为微小电流信号输出给I/V转换电路，I/V转换电路将接收到的电流信号转换为电压信号，然后经过电压放大电路后输出放大信号至带通滤波电路，经过滤波后的电压信号输入至电压跟随器，然后输出至数字电路模块。

其中，光电变换电路用于将接收到的光信号转换为电信号，包含了光路设计和光电变换。传感器用的是滨松光子的光电二极管S2281_016F093，光谱相应范围为100-1000nm，暗电流为300pA，灵敏度为0.36A/W，虽然其灵敏度远不及光电倍增管，但是接受光强范围更大，使用强光做光源有利于提高我们的信噪比，提高测量精度，并且光电二极管价格远低于光电倍增管，由此可以降低成本。

从光电二极管出来的信号是很微小的电流信号，因此采用I/V转换电路，将微小的电流信号转换为电压信号，用的放大器是OPA128，超低的偏置电流(大概在pA级别)，而光电二极管出来的电流至少是uA级别，所以这点偏置电流几乎可以忽略不计。

从I/V转换电路中出来的信号大概在mv级别，因此需要把电压放大到几伏。在此选用的放大器是OPA637，该放大器共模抑制比高达106，输入失调电压0.1mv，相对于主信号几十到几百mv几乎可以忽略，为了在测量能见度的同时测量湍流，输入信号频率大概在10khz～110khz，所以噪声电压也不会超过0.1mv，在此频率下OPA637放大器80Mhz的增益带宽积则绰绰有余，可以实现信号从毫伏放大到伏，通常放大几十到几百倍。其中增益带宽积的计算公式为：

增益带宽积＝频率×增益；

从公式不难看出，即使以最高频率100khz工作，其增益带宽积绰绰有余。

滤波电路采用的是GIC带通滤波器，因为本发明信号频率固定，所以采用带通滤波器，而GIC带通滤波器Q值可以设计到几十而不发生波形失真。

电压跟随器，采用的是LF411ACH，起到了一个前后级电路的隔离作用，并且提供一个高输入低输出阻抗。

具体如图2b所示，I/V转换模块包括放大器U1、电阻R1和电容C1，电流源模拟光电转换的电流流入放大器U1的负输入端，另一路经过电阻R1连接至放大器U1的输出端，电阻R1的两端并联电容C1；放大器U1的输入正接地；电压放大电路包括放大器U2、电阻R2、电阻R_bu和电阻R3，放大器U1的输出端连接放大器U2的输入正，且U2的输入正通过补充电阻R_bu接地；U2的输入负一路经过电阻R2接地，另一路经电阻R3接U2的输出端；滤波电路包括放大器U3、放大器U4、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C2和电容C3，放大器U2的输出端经电阻R4连接U3的输入正，且U3的输入正经电容C2接地；U3的输入负连接U4的输入负；U3输出端一路经过电阻R6、电容C3后连接U4的输出端，且U4的输出端经电阻R5连接至U3的输入正；放大器U3的输出端另一路经电阻R7接U4的输入正，且U4的输入正经电阻R8接地；电压跟随器包括放大器U5，U3的输出端还连接至U5的输入负，U5的输入正连接其输出端。

如图3所示，数字电路模块包括单片机、温度湿度感应模块(SHT11)和USB接口模块另外附带一个MAX232接口(双接口)，其中单片机通过芯片CH340T接一个USB接口，另一个可选接口为MAX232芯片接一个九针接口。而单片机内置A/D转换模块，模拟电路模块输入的模拟电压信号经过该A/D转换模块后转换为单片机可以处理的数字信号，另一方面，温度湿度感应模块将采集到的大气温度湿度信息传递给单片机，单片机对接收到的电信号和温度湿度信号进行处理后，通过USB接口模块输出信号至上位机；同时，单片机将上位机的指令反馈给温度湿度感应模块，反过来调节测量仪器内的环境温度与环境湿度。

其中，A/D转换模块与前级模拟电路模块电连接，本实施例采用的是一个12位A/D。单片机接收A/D转换模块输出的数字信号并上传到上位机，上位机对数字信号进行处理；仪器内的温度湿度模块(温度湿度传感器)采集的数据上传给单片机，进而传给上位机，单片机将上位机的指令反馈给温度湿度模块，反过来调节AVTOM(大气能见度与湍流同步测量系统)内的温度与湿度。

上位机通过USB接口接收数字电路模块发送来的数据，通过COM口读取数据，并进行数据的纠错与处理，然后进行存储并显示输出消光系数曲线、能见度曲线和结构常数曲线。

上位机包括数据处理模块、存储模块、显示模块和历史数据处理模块，其中显示模块包括能见度显示、消光系数显示和显示，上位机接收到数字电路模块发送来的数字信号后，经过数据处理模块的处理后一方面储存至存储模块，另一方面通过显示模块进行能见度、消光系数和的显示；历史数据处理模块根据需要直接按时间提取存储模块中的数据并进行数据处理。

数据处理模块几乎与存储模块还有显示模块同时进行。也就是实时读取，实时存储，实时显示。实时性是本系统一个比较重要的要求，及时的反馈当前的气候状况。上位机接收到数据后，经过分辨筛选，挑选出准确的数据经过一系列计算，算出相应的气象参数，然后实时存储入数据库，并实时以曲线与数值的形式在显示模块中显示。

如图4所示，一种大气能见度与湍流同步测量方法，具体包括以下步骤：

(1)模拟电路模块接收光信号，并对其进行处理，最终转换为电压信号；

光信号通过光电二极管转换为电流信号，然后经过I/V变换，转换成电压信号，再经过放大滤波电压跟随之后进入单片机的A/D转换模块；其中：

光信号通过光电二极管变成电流信号，通过I/V模块，得到电压U₁＝I*R₁；经过放大模块得到电压U₂＝(1+R₃/R₂)U₁；然后经过GIC带通滤波器，电路中通带放大倍数H₀，中心频率ω₀，品质因数Q₀，分别由以下三个公式给出：

其中，R7＝R8，R5＝R6，C2＝C3；

故公式简化为：H₀＝2，

(2)数字电路模块对模拟电路模块输出的电压信号以及采集的温度湿度信号进行处理及控制，并输出数字信号给上位机；

模拟电压经过单片机内置A/D变成数字信号，温度湿度感应模块是I²C接口，输出温度湿度信号，单片机将这些信号传入上位机；如图4所示，具体控制流程为：

光信号通过光电二极管转换为电流，经过I/V变换，变成电压信号，再经过放大滤波进入单片机A/D。

单片机处理时关闭看门狗，初始化时钟，初始化串口，初始化I²C，开启定时器；开启中断，然后一直扫描缓冲区，将缓冲区的数据按顺序传到上位机；

中断函数有两个，一个定时中断，一个串口中断，由于串口内每秒接收的数据量都非常庞大，所以设置定时中断优先级高于串口中断，定时中断是十分钟中断一次，中断函数里就是读取I²C的温度湿度数据并将标志位flag置位true，表示温度湿度数据已经更新，也就是说每十分钟更新一次温度与湿度；即将采集的温度湿度数据放入缓冲区；

在串口中断里，首先向上位机(PC端)发送确认，等待PC端确认，如果等待超时，则继续发送确认；如果等到了PC端的确认，则开始检测标志位，如果标志位是true，代表温度湿度数据已经更新，放入缓冲区，并将标志位置成false，表示数据已经被读取；如果标志位是false，表示温度湿度数据没有更新，则将A/D的数据放入缓冲区。

在下位机的数字电路部分，串口传入的最大值是4095(12位A/D的最大精度就是1/4095)，一个八位根本无数完整的传递一个数据，需要分辨高位与低位，在此需要设置高位与低位的标志位。另外，需要分辨传过去的数据是温度湿度数据还是电压数据，所以在温度湿度前面也要设置标志位。

由于传过去的最大值是4095也就是四位数，可以拆成前两位是高位，后两位是低位，这样在每一个八位中传过去的值最大不会超过100，甚至在高八位中不会超过40，因此，其实在高八位中只用到了6位还有两位没用，因此可以将最高一个位设置为标志位，如果最高位是1，那么证明这个数是高位，如果是0那么这个数是低位。举个例子，如果接收到了数据139,39；那么这代表什么呢，因为139大于100，所以这个数一定是高八位，因为低位最高位是0，且传入的数值绝对不会超过100，那么怎么还原这个数值呢，就是把139减去128(最高位置1，相当于在原来的数基础上加上128)等于11，就是高位时11，低位是39，这个数原来就是1139。

至于区分温度湿度数据，可以把温度设定为±60，湿度0-100；如果要传一个温度湿度数据过去，那么先要传一个标志过去，不如传一个全1；就是255，八个位全是1,255是很特殊的一个数，因为电压传过来的数最大也只可能是40+128＝158，所以如果遇到了255，这表示后面的一串数据将是温度湿度数据，然后在结束的地方也要设置标志位254，这代表温度湿度数据传完了，后面是电压数据。在255与254之间都是温度湿度数据，为了区分，首先注意到温度波动范围是±60，湿度波动范围是100，温度60只需要6个位(2的6次方大于60)，还余下两个位，湿度100需要七个位(2的七次方大于100)，将最高位也就是第八位当成区分温度湿度的标志位，然后将温度的第七位当成温度的正负标志位，是负置1，是正为0.最高位为1表示湿度，最高位是0表示温度。举个例子，比如接收到这样一串数据139,35,25,26,255,69,178,254，125,177从这串数据中不难确定69是温度，178是湿度，255是头标志，254是尾部标志，而177是异常数据，首先分析温度数据，因为69小于128(也就是最高位第八位是0)，确定这是温度数据，其次69大于64(代表第七位是1)，所以证明温度是是负数，具体数值是-5，而178大于128是湿度数据，具体数值是178-128＝50，湿度为50％。再看177，他前面没有255，后面没有254，证明这是一个电压数据，而电压数据只有高位会超过100，而即使是高位最大也只能达到128+40＝168，是小于177的，所以这是个异常数据，应该丢弃。

在上位机部分，就是按上面所说的算法恢复数据，并进行处理。如果温度湿度数据超出仪器工作环境范围，则计算机需要下达一个指令给单片机，单片机接收到指令，再下达指令给温度湿度控制器，开始降温或者升温，加湿还是除湿。

(3)上位机对接收到的数字信号进行处理并存储和显示。

初始化后，开始进行参数配置，然后开始检测串口，检测到串口后，开始检测串口是否收到单片机发来的确认指令，如果没检测到，则继续检测，如果检测到了，则开始像单片机发送一个确认指令，然后开始等待接收数据，如果等待超时，则再次像单片机发送确认指令；如果有数据过来，则需要判断是温度湿度数据，如果是温度湿度数据，则直接读取，显示在屏幕，并存入数据库；如果不是，则分别调用算能见度，消光系数的函数，算出相应的能见度，消光系数，在屏幕上画出曲线，并存入数据库。

其中将原始数据转换成相应的气象参数的原理如下：

能见度原理：

根据布格-朗伯(Bouguer-Lambert)定律，平行光在大气中的衰减与距离跟消光系数呈负相关，公式为：

F＝F₀e^-σL (4)；

其中，σ为消光系数，L为基线长度，F₀为L＝0时的光通量。如果用MOR表示气象光学视程，即光通量衰减至5％所经过的距离，则：

又因为光强I是指点光源在给定方向上单位立体角内发出的光通量，I₀是原始光强，所以：

F/F₀＝I/I₀ (6)；

光电变换中电信号U与入射光信号I成正比，故：

I/I₀＝U/U₀ (7)；

由上面公式不难看出，只要求得了原始电压U₀，与消光过后的电压U，就可以求出能见度：

消光系数：

大气折射率结构常数计算原理：

由光传输理论可得，波长为λ的球面波经过大气湍流进行传播，光强为I，在传播距离L处，直径为D的孔径内接受的对数光强起伏方差为：

其中，k为光波数，且k＝2π/λ；γ＝z/L为球面波的传播因子，z是垂直坐标；κ为空间波数；F(κ)是孔径滤波函数，对于内外径之比为ε的圆环接收孔径，F(κ)为：

Φ_n(κ)表示折射率起伏的空间谱密度，可表示为：

其中，即为大气折射率结构常数，f(κl₀)为描述内尺度效应的因子；

在已知的弱起伏条件下，对数光强起伏方差等于闪烁指数：

将(11)、(12)、(13)代入(10)可得：

其中J_i代表i阶贝塞尔函数，上述公式J₁，就是一阶贝塞尔函数。

在实际应用中，我们用比较简单的定标公式来计算

由上面的的计算公式可知，k，L，D都是常量，所以主要是求而由定义式：

可知与光强的波动方差有关，而光强正比于电压，故只要求出电压U的波动方差即可得出进而求出

因此能见度MOR，消光系数σ，大气折射率结构常数都可以由电压U、U₀求出。求出三个值即可以曲线或者数字的形式显示在曲线上并保存下来。

图5是2017年12月25日晚上19点到23点在南京大学大气学院楼顶的实验测量结果。纵轴左边是能见度，右边是横轴是时间。实线描述的是能见度的变化，虚线描述的是的变化。二者变化趋势也大体符合规律，大气折射率结构常数与能见度都没有较为明显的极值，二者极值也基本是一一对应。

Claims (9)

1.一种大气能见度与湍流同步测量系统，其特征在于，包括：电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和上位机，其中，电源模块用于模拟电路模块和数字电路模块的供电，模拟电路模块用于将光信号转换为可靠的电信号，数字电路模块用于连接模拟电路模块和上位机，并控制调节环境温度和湿度；上位机用于对数据进行处理和存储。

2.根据权利要求1所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统，其特征在于：所述模拟电路模块包括光电变换电路、I/V转换电路、电压放大电路、滤波电路和电压跟随器，光电变换电路将接收到的入射光转换为电流信号输出给I/V转换电路，I/V转换电路将接收到的电流信号转换为电压信号，然后经过电压放大电路后输出放大信号至滤波电路，经过滤波后的电压信号输入至电压跟随器，然后输出至数字电路模块。

3.根据权利要求1所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统，其特征在于：所述数字电路模块包括单片机、温度湿度感应模块和USB接口模块，其中单片机内置A/D转换模块，模拟电路模块输入的模拟电压信号经过该A/D转换模块后转换为单片机可以处理的数字信号，另一方面，温度湿度感应模块将采集到的大气温度湿度信息传递给单片机，单片机对接收到的电信号和温度湿度信号进行处理后，通过USB接口模块输出信号至上位机；同时，单片机将上位机的指令反馈给温度湿度感应模块，反过来调节测量仪器内的环境温度与环境湿度。

4.根据权利要求1所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统，其特征在于：所述上位机包括数据处理模块、存储模块、显示模块和历史数据处理模块，其中显示模块包括能见度显示、消光系数显示和显示，上位机接收到数字电路模块发送来的数字信号后，经过数据处理模块的处理后一方面储存至存储模块，另一方面通过显示模块进行能见度、消光系数和的显示；历史数据处理模块根据需要直接按时间提取存储模块中的数据并进行数据处理。

5.一种采用权利要求1-4任一项所述大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)模拟电路模块接收光信号，并对其进行处理，最终转换为电压信号；

(2)数字电路模块对模拟电路模块输出的电压信号以及采集的温度湿度信号进行处理及控制，并输出数字信号给上位机；

(3)上位机对接收到的数字信号进行处理并存储和显示。

6.根据权利要求5所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中光信号通过光电二极管转换为电流信号，然后经过I/V变换，转换成电压信号，再经过放大滤波电压跟随之后进入单片机的A/D转换模块；其中：

光信号通过光电二极管变成电流信号，通过I/V模块，得到电压U₁＝I*R₁；经过放大模块得到电压U₂＝(1+R₃/R₂)U₁；然后经过GIC带通滤波器，电路中通带放大倍数H₀，中心频率ω₀，品质因数Q₀，分别由以下三个公式给出：

其中，R7＝R8，R5＝R6，C2＝C3；

故公式简化为：H₀＝2，

7.根据权利要求5所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)中模拟电压经过单片机内置A/D变成数字信号，温度湿度感应模块是I²C接口，输出温度湿度信号，单片机将这些信号传入上位机；

单片机处理时关闭看门狗，初始化时钟，初始化串口，初始化I²C，开启定时器；开启中断，然后一直扫描缓冲区，将缓冲区的数据按顺序传到上位机；

中断函数有两个，一个定时中断，一个串口中断，定时中断是一分钟中断一次，中断函数里就是读取I²C的温度湿度数据并将标志位flag置位true，表示温度湿度数据已经更新，也就是说每分钟更新一次温度与湿度；

在串口中断里，首先像PC端发送确认，等待PC端确认，如果等待超时，则继续发送确认；如果等到了PC端的确认，则开始检测标志位，如果标志位是true，代表温度湿度数据已经更新，放入缓冲区，并将标志位置成false，表示数据已经被读取；如果标志位是false，表示温度湿度数据没有更新，则将A/D的数据放入缓冲区。

8.根据权利要求5所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤(3)中：

上位机初始化后，开始进行参数配置，然后开始检测串口，检测到串口后，开始检测串口是否收到单片机发来的确认指令，如果没检测到，则继续检测，如果检测到了，则开始像单片机发送一个确认指令，然后开始等待接收数据，如果等待超时，则再次像单片机发送确认指令；如果有数据过来，则需要判断是温度湿度数据，如果是温度湿度数据，则直接读取，显示在屏幕，并存入数据库；如果不是，则分别调用算能见度，消光系数的函数，算出相应的能见度，消光系数，在屏幕上画出曲线，并存入数据库。

9.根据权利要求8所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法，其特征在于，所述能见度、大气结构常数和消光系数的计算为：

能见度：

根据布格-朗伯(Bouguer-Lambert)定律，平行光在大气中的衰减与距离跟消光系数呈负相关，公式为：

F＝F₀e^-σL (4)；

其中，σ为消光系数，L为基线长度，F₀为L＝0时的光通量；如果用MOR表示气象光学视程，即光通量衰减至5％所经过的距离，则：

又因为光强I是指点光源在给定方向上单位立体角内发出的光通量，所以：

F/F₀＝I/I₀ (6)；

光电变换中电信号U与入射光信号I成正比，故：

I/I₀＝U/U₀ (7)；

由上面公式不难看出，只要求得了原始电压U₀，与消光过后的电压U，就可以求出能见度：

消光系数：

大气折射率结构常数计算：

由光传输理论可得，波长为λ的球面波经过大气湍流进行传播，光强为I，在传播距离L处，直径为D的孔径内接受的对数光强起伏方差为：

其中，k为光波数，且k＝2π/λ；γ＝z/L为球面波的传播因子；κ为空间波数；F(κ)是孔径滤波函数，对于内外径之比为ε的圆环接收孔径，F(κ)为：

Φ_n(κ)表示折射率起伏的空间谱密度，可表示为：

其中，即为大气折射率结构常数，f(κl₀)为描述内尺度效应的因子；

在已知的弱起伏条件下，对数光强起伏方差等于闪烁指数：

将(11)、(12)、(13)代入(10)可得：

的计算公式为：

由上面的的计算公式可知，k、L、D都是常量，所以主要是求而由定义式：

可知与光强的波动方差有关，而光强正比于电压，故只要求出电压U的波动方差即可得出进而求出

因此能见度MOR，消光系数σ，大气折射率结构常数都可以由电压U、U₀求出；求出三个值即通过曲线或者数字的形式显示在曲线上并保存下来。