CN113916841B - 基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪 - Google Patents

Abstract

基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪，包括分别设置于安装基线两端的设备，每个设备均包括面光源、分光片、反射镜、成像透镜组、光电面阵、能量检测单元、光学防护窗、窗口污染检测单元和采集控制单元，当分光片接收来自面光源产生的出射光时将出射光传输至光学防护窗和能量检测单元；光学防护窗用将出射光发射出去并且光学防护窗还用于接收入射光并将入射光传输至分光片；当分光片接收来自光学防护窗传输过来的入射光时用于将入射光反射至反射镜；反射镜用于将从分光片传输过来的入射光反射至成像镜组件，成像镜组件用于将从反射镜传输过来的出射光传输至光电面阵并最终在光电面阵上形成灰度图像，得到光斑位置、大小和光斑总能量信息。

Description

基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪

技术领域

本发明涉及气象能见度测量，特别涉及基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪。

背景技术

气象光学视程(meteorological optical range)的定义是指色温为2700K的光源发出的平行光束被大气吸收和散射后，光束能量衰减为5％时所通过的距离。

气象能见度是用以表征大气透明度的物理量，历史上都采用人工目测来进行估计，受现场环境和个人主观因素的影响较大。为了可以客观地测量以及保证结果的一致性和可比较性，国际气象组织(WMO)规定采用气象光学视程(MOR)来表示器测能见度。

仪器测量气象能见度的原理可分为散射式测量和透射式测量这两类，其目的都是为了获取大气水平消光系数σ，得到大气水平消光系数后即可由公式：V＝3/σ得到MOR值。当采用散射法测量时只能得到某个角度的散射系数β，β和消光系数σ在不同的天气条件下并不存在唯一对应关系，因此受到能见度障碍类型的影响较大。但由于仪器小巧、安装方便，在一般气象观测场合获得了大批量应用。而透射法测量则可以直接获得消光系数，不受视程障碍类型的影响，具有更高的稳定性，故而在对安全性更加敏感、精度要求更高的领域例如航空、交通等行业得到了广泛应用。

透射式能见度仪均需要一定的安装基线，发射和接收端分别放置于基线的两头，所要求的基线长度一般为数十米至100米。发射端一般采用可见光波长的点光源，通过透镜后发出平行光束照射到接收端，同时发射端也在不断检测发射能量。接收端则将所接收到的平行光通过透镜聚焦到一个光电接收管上，经过放大后检测得到接收能量。比较接收端和发射端的能量并进行标定系数订正后就可得到光束通过已知长度后所发生的衰减，从而计算得到水平消光系数σ。

然而，透射式能见度仪要在全量程得到精确的实测结果也有很大的难度，因为考虑到低能见度的需求，基线不会很长，绝大部分条件下光束能量所发生的衰减是非常小的，能量测量的微小误差就会导致能见度结果的大幅波动。例如：10Km条件下50m基线的光能量透射率为98.5％。因此要达到10Km条件下10％的误差，能量衰减测量误差必须小于千分之一。因此，能量衰减的测量精度一直是制约透射式能见度测量的一个难题。

影响透射能量测量精度的原因是非常多的，然而研究表明，已有的这种点对点的测量方式很可能是一个重要的误差因素。

从发射端来看，为了发出平行光，使用了透镜将一个点光源的部分能量聚集到发射方向上。无论是LED光源或是激光光源，其方向性图都是一个高斯分布，采用透镜后会导致光能量的方向性图为更加尖锐的高斯分布：轴向光最强，一旦偏离主轴光强就会急剧下降。而在安装好后实际工作时，由于存在风、地基变化、人员车辆的振动等等诸多影响，光轴都会必然发生偏离或抖动，从而导致接收端的光强也发生变化，导致测量误差。

从接收端看，一般会采用一个一定接收面积的光电接收管来接收光能量，由光学透镜将接收能量聚集到靶面的中心。然而当受到外部影响，光路发生变化后，光斑位置必然会发生变化。研究已经表明，在光电管靶面的不同位置，光电效率是不同的，离边缘越近光生载流子的复合概率越大，光电效率也就越低。可见，尽管光斑仍然准确地照射靶面，但位置的微弱变化也会导致测量误差。

发明内容

为了克服现有不足，本发明的目的在于提出一种能够提高透射式能见度探测的可靠性和稳定性基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪。

本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪，包括分别设置于安装基线两端的设备，一个设备为发射端、另一个设备为接收端且每个设备均包括面光源、分光片、反射镜、成像透镜组、光电面阵、能量检测单元、光学防护窗、窗口污染检测单元和采集控制单元，采集控制单元输入端与光电面阵输出端相连、采集控制单元输出端与面光源的输入端相连；

面光源用于产生出射光；当分光片接收来自面光源产生的出射光时用于将部分出射光传输至光学防护窗并且将剩余部分出射光传输至能量检测单元从而使能量检测单元对面光源产生的出射光强度进行检测；当光学防护窗接收来自分光片的出射光时用于将部分出射光散射至污染检测单元、部分出射光发射至设备外，并且光学防护窗还用于接收入射光并将入射光传输至分光片；当分光片接收来自光学防护窗传输过来的入射光时用于将入射光反射至反射镜；反射镜用于将从分光片传输过来的入射光反射至成像镜组件，成像镜组件用于将从反射镜传输过来的入射光传输至光电面阵并最终在光电面阵上形成灰度图像，得到光斑位置、大小和光斑总能量信息。

进一步的，设置于安装基线两端的两个设备光学结构完全相同，发射端进行发射模式工作、接收端进行接收模式工作且两个设备的发射、接收模式可替换。

进一步的，光电面阵列采用CCD或CMOS图像传感器。

进一步的，面光源为上面设置有多个LED发光管的印刷线路板，发射端的面光源进行脉冲工作并且脉冲工作过程受基线另一端的接收端的光电面阵曝光信号控制。

进一步的，接收端的光电面阵曝光脉冲信号引出给发射端的采集控制单元以驱动发射端的面光源上的LED发光管同步点亮。

进一步的，当分光片接收来自面光源产生的出射光时将出射光部分传输至光学防护窗、部分传输至能量检测单元且光学防护窗的出射光量大于传输至能量检测单元出射光量。

进一步的，当光学防护窗接收来自分光片的出射光时用于将部分出射光散射至污染检测单元、部分出射光发射至设备外，且分光片发射至设备外的出射光量大于传输至污染检测单元的出射光量，窗口污染检测单元用于对通过光学防护窗出射光的污染强度进行检测、记录和评估。

进一步的，光电面阵输出端与采集控制单元的输入端相连、采集控制单元的输出端与面光源的输入端相连，采集控制单元用于采集图像和能量、污染检测的各个光电传感器信号、控制安装基线两端设备的协调工作、驱动LED发光管工作、数据处理和通讯。

借由上述技术方案，本发明的优点是：

1、面光源产生光能量，面光源为一个几乎均匀的发光面，其方向性图符合朗伯光源的余弦特性。在主轴方向上分布非常平坦，微小角度的抖动和漂移不会引起能量分布的变化，大大压制了外光路的漂移和抖动所引起的测量误差。

2、面光源产生的光能量最终作用到光电面阵列上，在光电面阵上形成灰度图像，整个靶面上所有像素的响应都是均匀的，虽然填充系数不是100％，但由于光斑图像包含了数百个像素，当光斑在靶面上移动时，依然能够输出恒定的光斑能量值。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“A端”、“B端”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

请参阅图1，基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪包括分别设置于安装基线两端且光学结构完全相同的两个设备，两个设备的发射、接收模式可替换，即每个设备均既可以作为发射端进行发射模式工作也可以作为接收端进行接收模式工作。每个设备均包括面光源、分光片、反射镜、成像透镜组、光电面阵、能量检测单元、光学防护窗、窗口污染检测单元和采集控制单元，面光源是指能量-角度特性接近余弦特征的面发光光源，面光源为满贴LED发光管的印刷线路板，根据面光源出光孔径大小，印刷线路板上密布了上百个LED发光管。

以位于安装基线一端的设备为例，当该设备为发射端时位于安装基线另一端的设备为接收端，该发射端的面光源进行脉冲工作并且脉冲工作过程受基线另一端的接收端的光电面阵曝光信号控制。该发射端的面光源所发出的光能量(出射光)通过发射端的分光片后少部分能量进入发射端的能量检测单元；发射端的能量检测单元用于检测发射端的面光源本次发光能量值；具体的，能量检测单元用于实时检测发射端的面光源上的LED发光管的每个脉冲能量并用于透射衰减的计算。发射端的面光源发出的光能量通过发射端的分光片后大部分能量进入发射端的光学防护窗户并通过发射端的光学防护窗发射出去(发射至该设备外部)，从发射端的光学防护窗户发射出去的出射光对于接收端而言为入射光。光学防护窗用于隔离内外光路，发射端的窗口污染检测单元对本次发光污染强度进行测量并得到精确测量值，即当外部沾有灰尘、水渍等污染物时，出射光透过发射端的光学防护窗时会发生散射，部分散射能量会进入发射端的窗口污染检测单元，发射端的窗口污染检测单元检测和记录以评估污染强度。

以位于安装基线一端的设备为例，当该设备进行接收模式工作时，位于安装基线另一端的设备为发射端，位于安装基线另一端(发射端)的面光源的光脉冲同步于该设备(接收端)光电面阵的曝光信号。入射光通过光学防护窗进入该设备的分光片且入射光在分光片的前端被部分反射至反光镜，反射镜用于将成像光路折叠，以减小设备体积；分光片传输至反光镜的入射光通过反射镜进入到成像透镜组；成像透镜组用于将发射端的图像聚焦并成像在光电面阵上，光电面阵列可采用CCD或CMOS面阵图像传感器，面阵图像传感器是指由分布在一个平面上的若干个像素共同构成一个光电传感阵列，入射光通过成像透镜组后进入光电面阵并最终在光电面阵上形成灰度图像；光电面阵输出端与采集控制单元的输入端相连、采集控制单元的输出端与面光源的输入端相连，光电面阵曝光脉冲信号引出给另一端设备(发射端设备)的采集控制单元以驱动该设备面光源上的LED发光管同步点亮；采集控制单元的功能主要有：采集图像和能量、污染检测的各个光电传感器信号、控制两端设备的协调工作、驱动LED工作、数据处理和通讯等等，采集控制单元对光电面阵上的图像进行处理，得到光斑位置、大小和光斑总能量等信息。注意的是，进行接收模式工作的分光片将从光学防护窗传输过来的部分能量反射到光电面阵上，分光片的分光比可以任意选择，不影响本发明的实施，但当分光比为1：1时，接收效率达到最大。通过安装基线两端设备检测到的发光能量、污染强度等信息就可精确计算得到安装基线距离内的实际光衰减量，从而得到消光系数和MOR值。

具体的，基线两端分别A端和B端，安装基线两端的设备分别为A端设备和B端设备，其中A端设备位于基线A端，B端设备位于基线B端。A端设备为作为发射端进行发射模式工作时B端设备为作为接收端进行接收工作、当A端设备作为接收端进行接收模式工作时B端设备为发射端进行发射模式工作。具体的，面光源包括A端面光源和B端面光源，分光片包括A端分光片和B端分光片且分光片进行双向工作，反射镜包括A端反射镜和B端反射镜，光电面阵包括A端光电面阵和B端光电面阵，能量检测单元包括A端能量检测单元和B端能量检测单元，光学防护窗包括A端光学防护窗和B端光学防护窗，窗口污染检测单元包括A端窗口污染检测单元和B端窗口污染检测单元，采集控制单元包括A端采集控制单元和B端采集控制单元。A端设备包括A端面光源、A端分光片、A端反射镜、A端成像透镜组、A端光电面阵、A端能量检测单元、A端光学防护窗、A端窗口污染检测单元和A端采集控制单元；B端设备包括B端面光源、B端分光片、B端反射镜、B端成像透镜组、B端光电面阵、B端能量检测单元、B端光学防护窗、B端窗口污染检测单元和B端采集控制单元。

实施例1

基线A端的A端设备作为发射端、基线B端的B端设备作为接收端时，A端设备进行发射模式工作、B端设备进行接收模式工作。A端设备内A端面光源进行脉冲工作并且A端面光源进行脉冲工作受到B端设备的B端光电面阵曝光信号控制。本实施例中A端面光源为满贴色温为2700K的白光LED发光管的印刷线路板，采用了色温为2700K的白光LED以满足MOR对光源的定义，在本发明的其他实施例当中A端面光源采用的LED发光管根据实际情况进行选择。A端面光源发出光能量(出射光)进入A端分光片中，此时A端分光片中作为发射端，A端分光片将从A端面光源传输过来的小部分光能量反射给A端能量检测单元从而使得A端能量检测单元检测A端面光源本次发光能量值；A端分光片将从A端面光源传输过来的大部分光能量传输至A端光学防护窗，A端设备内的A端光学防护窗与A端污染检测单元相连，A端光学防护窗上极小部分的能量被窗口污染物散射且A端污染检测单元对A端面光源本次发光的污染强度进行精确测量。从A端分光片传输过来的大部分光能量通过A端光学防护窗发射至B端设备的B端光学防护窗。

A端设备的A端面光源发射出的光能量依次通过A端分光片、A端光学防护窗后进入B端光学防护窗并经过B端光学防护窗后进入B端分光片，此时A端设备发出的光能量对与B端设备而言为入射光，入射光从B端光学防护窗传输至B端分光片且B端分光片将入射光反射至B端反射镜；B端反射镜将从B端分光片传输过来的入射光传输至B端成像透镜组，B端成像透镜组用将从B端反射镜传输过来的图像聚焦并成像在B端光电面阵上，最终在B端光电面阵上形成灰度图像；B端光电面阵的输出端与B端采集控制单元相连，B端采集控制单元对B端光电面阵上形成灰度图像进行处理，得到光斑位置、大小和光斑总能量等信息。

实施例2

基线A端的A端设备作为接收端、基线B端的B端设备作为发射端时，A端设备进行接收模式工作、B端设备进行发射模式工作。B端设备内B端面光源进行脉冲工作并且B端面光源进行脉冲工作受到受A端设备的A端光电面阵曝光信号控制。本实施例中B端面光源也为满贴色温为2700K的白光LED发光管的印刷线路板，在本发明的其他实施例当中B端面光源采用的LED发光管根据实际情况进行选择。B端面光源发出光能量(出射光)进入B端分光片中，B端分光片将从B端面光源传输过来的小部分光能量反射给B端能量检测单元从而使得B端能量检测单元检测B端面光源本次发光能量值；B端分光片将从B端面光源传输过来的大部分光能量传输至B端光学防护窗，B端设备内的B端光学防护窗与B端污染检测单元相连，B端光学防护窗上极小部分的能量被窗口污染物散射从而B端污染检测单元对B端面光源本次发光的污染强度进行精确测量，B端光学防护窗将从B端分光片传输过来的大部分光能量发射出去(发射出B端设备至B端设备的B端光学防护窗)。

B端设备的B端面光源发射出的光能量依次通过B端分光片、B端光学防护窗后进入A端光学防护窗并经过A端光学防护窗后进入A端分光片，此时B端设备发出的光能量对与A端设备而言为入射光，入射光从A端光学防护窗传输至A端分光片且A端分光片将入射光反射至A端反射镜；A端反射镜将从A端分光片传输过来的入射光传输至A端成像透镜组，A端成像透镜组用将从A端反射镜传输过来的图像聚焦并成像在A端光电面阵上，最终在A端光电面阵上形成灰度图像；A端光电面阵的输出端与A端采集控制单元相连，A端采集控制单元对A端光电面阵上形成灰度图像进行处理，得到光斑位置、大小和光斑总能量等信息。

综上，结合位于安装基线两端设备的能量检测单元检测到面光源本次发光能量、窗口污染检测单元检测到的面光源本次发光能量污染强度等信息就可精确计算得到基线距离内的实际光衰减量，从而得到消光系数和MOR值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪，其特征在于：包括分别设置于安装基线两端且光学结构完全相同的两个设备，一个设备为发射端、另一个设备为接收端，发射端进行发射模式工作、接收端进行接收模式工作且两个设备的发射、接收模式可替换；每个设备均包括面光源、分光片、反射镜、成像透镜组、光电面阵、能量检测单元、光学防护窗、窗口污染检测单元和采集控制单元，采集控制单元输入端与光电面阵输出端相连、采集控制单元输出端与面光源的输入端相连；

面光源为能量-角度特性接近余弦特征的面发光光源，用于产生出射光；当分光片接收来自面光源产生的出射光时用于将部分出射光传输至光学防护窗并且将剩余部分出射光传输至能量检测单元从而使能量检测单元对面光源产生的出射光强度进行检测；当光学防护窗接收来自分光片的出射光时用于将部分出射光散射至污染检测单元、部分出射光发射至设备外，污染检测单元用于对通过光学防护窗出射光的污染强度进行检测、记录和评估并且光学防护窗还用于接收入射光并将入射光传输至分光片；当分光片接收来自光学防护窗传输过来的入射光时用于将入射光反射至反射镜；反射镜用于将从分光片传输过来的入射光反射至成像镜组件，成像镜组件用于将从反射镜传输过来的入射光传输至光电面阵并最终在光电面阵上形成灰度图像，得到光斑位置、大小和光斑总能量信息。

2.根据权利要求1所述的基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪，其特征在于：光电面阵采用CCD或CMOS图像传感器。

3.根据权利要求1所述的基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪，其特征在于：面光源为上面设置有多个LED发光管的印刷线路板，发射端的面光源进行脉冲工作并且脉冲工作过程受基线另一端的接收端的光电面阵曝光信号控制。

4.根据权利要求3所述的基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪，其特征在于：接收端的光电面阵曝光脉冲信号引出给发射端的采集控制单元以驱动发射端的面光源上的LED发光管同步点亮。

5.根据权利要求1所述的基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪，其特征在于：当分光片接收来自面光源产生的出射光时将出射光部分传输至光学防护窗、部分传输至能量检测单元且光学防护窗的出射光量大于传输至能量检测单元出射光量。

6.根据权利要求1所述的基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪，其特征在于：当光学防护窗接收来自分光片的出射光时用于将部分出射光散射至污染检测单元、部分出射光发射至设备外，且分光片发射至设备外的出射光量大于散射至污染检测单元的出射光量。

7.根据权利要求1所述的基于面光源发射和面阵接收的透射式能见度仪，其特征在于：光电面阵输出端与采集控制单元的输入端相连、采集控制单元的输出端与面光源的输入端相连，采集控制单元用于采集图像和能量、污染检测的各个光电传感器信号、控制安装基线两端设备的协调工作、驱动LED发光管工作、数据处理和通讯。