CN1793841A - 一种提高能见度测试仪测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高能见度测试仪测量精度的方法，属于测量技术领域，特别涉及一种利用光电技术测试大气能见度的方法。本发明首先分别检测能见度测试仪发射端和接收端光学天线对一定检测光功率的衰减电压；然后相同的检测光功率下，测试能见度时的总的衰减电压；最后从总的衰减电压中减去收发两端光学天线的衰减电压，得到大气信道的衰减电压，从而用扣除了收发两端光学天线的衰减电压后的大气信道的衰减电压来反映能见度的高低。采用本发明所述的一种提高能见度测试仪测量精度的方法，能够消除由于光学天线表面的不清洁所带来的总是偏小的系统误差，从而提高能见度测试仪测量精度。整个发明原理简单，能以较低成本实现硬件装置。

Description

一种提高能见度测试仪测量精度的方法

技术领域

一种提高能见度测试仪测量精度的方法，属于测量技术领域，特别涉及一种利用光电技术测试大气能见度的方法。

背景技术

大气环境中沙尘的含量和雾的浓度是决定能见度高低的两个重要因素。能见度的高低是影响人们日常活动的重要因素，尤其对交通运输行业的影响最为严重。现代生活中，机场、高速公路经常因为能见度过低而不得不暂时关闭。目前，在多数能见度不高的情况下，决定究竟是否关闭机场、高速公路等设施或停止某些活动主要靠工作人员的经验，其决定的结果往往缺乏科学性。保守的决定可能带来一些经济利益的损失，激进的决定又可能带来一定的作业的风险，因此，人们希望拥有一种科学的测量仪器，能对能见度进行测量并提供精确的测量结果，从而为人们提供科学的决策依据。

目前，测量能见度的方法主要是基于光电技术的前向散射法，也有后向散射法或透射法。但是，不论采用哪一种测试方法，所构成的能见度测试仪，如图1至图3所示，其组成都包括发射光学天线、接收光学天线和信号处理部分，只是不同的能见度测试仪的接收光学天线所接收的光线成分有所不同。基于前向散射法的能见度测试仪利用的是前向散射光来测试能见度，而基于后向散射法的能见度测试仪利用的是后向散射光来测试能见度，基于透射法的能见度测试仪则是利用透射光来测试能见度。三种能见度测试仪的发射光学天线和接收光学天线的结构基本一致，发射光学天线都包括光源和发射透镜，接收光学天线都包括接收透镜和光检测器。

无论哪一种能见度测试仪，其测试能见度的原理基本相似，且都可以描述如下：设在大气能见度相当好的条件下，发射光学天线的光源发射出一定功率的发射光，接收光学天线4的光检测器6接收到一定的入射光后产生光电流，该电流经放大电路放大后的输出电压为U_R；在进行能见度测试时，发射光学天线的光源发射出相同功率的发射光，接收光学天线4的光检测器6接收到一定的入射光后产生光电流，该电流经放大电路放大后的输出电压为U_R′；通常由于大气信道的衰减，使得U_R′＜U_R，其差值ΔU＝U_R-U_R′根据相应的对应关系反映了大气信道中能见度的大小。现有的能见度测试仪就是通过测试上述ΔU，然后根据相应的对应关系计算出能见度的大小。

无论哪一种能见度测试仪，由于光学天线长期曝露在大气之中，虽然光学天线通常被密封在光学天线支架内，但是光学天线(透镜、光源和光检测器)表面会附着尘土和水雾，在进行能见度测试时，光学天线表面的尘土和水雾会对发射光或入射光产生很大的衰减作用，使得根据前述原理所测得的ΔU′会小于大气信道的衰减作用所实际产生的ΔU。因此，以ΔU′代替ΔU来计算能见度必然导致测得的能见度大小总是小于实际的能见度大小，从而导致总是偏小的系统误差。因为在每次能见度的测试中，光学天线表面的清洁度往往不一致，所以这种总是偏小的系统误差也不一致，很难根据一定的估计值加以修正。

由于在测试过程中存在上述无法消除的、且总是偏小而又无法估计的系统误差，使得现有能见度测试仪的测量精度大大降低。目前，还未见报道有克服这种由于光学天线表面的不清洁所带来的系统误差，从而提高能见度测试仪测量精度的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是：消除由于光学天线表面的不清洁所带来的总是偏小的系统误差，从而提高能见度测试仪测量精度。

本发明详细技术方案为：

一种提高能见度测试仪测量精度的方法，其特征是，它包括以下步骤：

步骤1.检测发射端光学天线对测试光功率的衰减电压。具体分步骤如下：

1).控制检测光源的光功率，使检测光源的发射光功率保持稳定；

2).在1).的基础上，并在光学天线清洁的情况下，测试发射端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U_T；

3).在1).的基础上，并在光学天线不清洁的情况下，测试发射端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U_T′；

4).设发射端光学天线出光面的面积为S_T1，发射端光检测器光敏面的面积为S_T2，它们的面积比为：η_T＝S_T1/S_T2；计算发射端光学天线对测试光功率的衰减电压：ΔU_T′＝η_TΔU_T＝η_T(U_T-U_T′)。

步骤2.检测接收端光学天线对测试光功率的衰减电压。具体分步骤如下：

1).采用与步骤1.中检测发射端光学天线对测试光功率的衰减量时相同的检测光源作为接收端检测光源，并采用相同的光功率，对检测光源进行光功率控制，使检测光源的发射光功率保持稳定；

2).在1).的基础上，并在光学天线清洁的情况下，测试接收端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U_R；

3).在1).的基础上，并在光学天线不清洁的情况下，测试接收端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U_R′；

4).设接收端光学天线出光面的面积为S_R1，接收端光检测器光敏面的面积为S_R2，它们的面积比为：η_R＝S_R1/S_R2；计算接收端光学天线对测试光功率的衰减电压：ΔU_R′＝η_RΔU_R＝η_R(U_R-U_R′)。

步骤3.检测大气信道对测试光功率的衰减量。具体分步骤如下：

1).采用步骤1.中检测发射端光学天线对测试光功率的衰减量时的检测光源作为发射光源，并采用相同的光功率，对发射光源进行功率控制，使发射光源的发射光功率保持稳定；

2).在1).的基础上，并在能见度相当好时，测试接收端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U；

3).在1).的基础上，并在光学天线不清洁的情况下，测试接收端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U′；

4).计算总衰减电压为：ΔU＝U-U′；设大气信道衰减电压为ΔU_C，则总衰减电压可表示为：ΔU＝ΔU_C+ΔU_T′+ΔU_R′＝ΔU_C+η_TΔU_T+η_RΔU_R；

5).计算大气信道衰减电压ΔU_C＝ΔU-η_TΔU_T-η_RΔU_R，ΔU_C即反映了大气信道(大气环境)中能见度的大小。

步骤1.—步骤3.中所述检测光源光功率控制方法为：采用光检测器检测检测光源的背向光，光检测器所得的光电流经放大器放大后转换为背向光检测电压；当光源功率发生变化时，背向光检测电压也发生相应的变化，信号处理单元根据背向光检测电压的变化为光功率控制电路提供控制信号，光功率控制电路通过光源驱动电路控制光源的输出功率，使光源输出光功率保持稳定。

步骤1.—步骤3.中所述光源可以采用半导体激光器或发光二极管。

本发明的有益效果是：

采用本发明所述的一种提高能见度测试仪测量精度的方法，能够消除由于光学天线表面的不清洁所带来的总是偏小的系统误差，从而提高能见度测试仪测量精度。整个发明原理简单，能以较低成本实现硬件装置。

附图说明

图1是前向散射能见度测试仪原理示意图。其中，1表示发射端光学天线，2表示发射端光学天线的光源，3表示表示发射端光学天线的透镜，4表示接收端光学天线，5表示接收端光学天线的透镜，6表示接收端光学天线的光检测器。

前向散射能见度仪是通过测量一小部分空气中固体颗粒对光束的前向散射光来得出大气光学能见度。前向散射能见度仪的发射天线与接收天线成一定的角度安装，发射光束在大气中传播时，受到大气中固体颗粒(灰尘、雾等)的散射，有部分发射光会入射到接收光学天线中，光检测器将其转换成电信号，该信号经处理后可得到能见距离。前向散射能见度测试仪存在一定的缺点，观测时的空气采样体积非常小，不能完全代表外部的空气；其光源的发射功率较大，如果使用可见光光源，在应用于高速公路等场合时，夜晚有可能会影响司机的视野；而使用红外光时，计算误差较大。

图2是后向散射能见度测试仪原理示意图。其中，1表示发射端光学天线，2表示发射端光学天线的光源，3表示表示发射端光学天线的透镜，4表示接收端光学天线，5表示接收端光学天线的透镜，6表示接收端光学天线的光检测器。

后向散射能见度仪是通过测量一小部分空气中固体颗粒对光束的后向散射光来得出大气光学能见度。后向散射能见度测试仪通常是彼此并排并且几乎是平行地安装发射天线和接收天线。后向散射能见度测试仪对大气的采样体积要比其它方法大得多测试误差较小。因为后向散射能见度测试仪的发射与接收光学天线要几乎平行的安装，所以其安装、调试难度较大；此外，也存在着前向散射能见度测试仪发射功率大的问题。

图3是透射式能见度测试仪原理示意图。其中，1表示发射端光学天线，2表示发射端光学天线的光源，3表示表示发射端光学天线的透镜，4表示接收端光学天线，5表示接收端光学天线的透镜，6表示接收端光学天线的光检测器。

透射式能见度测试仪是通过测量发射光线在直线传播过程中的透射光来得出大气光学能见度。透射式能见度测试仪的发射天线与接收天线成直线安装，其安装、调试较简单，发射功率小，一般在几个毫瓦；透射法对大气采样的体积介于前向散射和后向散射法之间，其测试误差介于前向散射和后向散射能见度测试仪之间，但只要采取适当的信号处理方法，仍然可以达到很高的测试精度。

图4是检测发射端光学天线对测试光功率的衰减电压原理示意图。其中，2表示发射端光学天线的光源，3表示表示发射端光学天线的透镜，7表示发射端光学天线光源的背向光检测器，8表示光学天线支架，9表示发射端光检测器。

图5是检测接收端光学天线对测试光功率的衰减电压原理示意图。其中，5表示接收端光学天线的透镜，6表示接收端光学天线的光检测器，8表示光学天线支架，10表示接收端检测光源，11表示接收端检测光源的背向光检测器。图中光源、光检测器、放大电路、信号采集与处理等与图4种对应部分相同。

图6是本发明所述的一种提高能见度测试仪测量精度的方法的流程示意图。

Claims (3)

1、一种提高能见度测试仪测量精度的方法，其特征是，它包括以下步骤：

步骤1.检测发射端光学天线对测试光功率的衰减电压；具体分步骤如下：

1).控制检测光源的光功率，使检测光源的发射光功率保持稳定；

2).在1).的基础上，并在光学天线清洁的情况下，测试发射端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U_T；

3).在1).的基础上，并在光学天线不清洁的情况下，测试发射端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U′_T；

4).设发射端光学天线出光面的面积为S_T1，发射端光检测器光敏面的面积为S_T2，它们的面积比为：η_T＝S_T1/S_T2；计算发射端光学天线对测试光功率的衰减电压：ΔU′_T＝η_TΔU_T＝η_T(U_T-U′_T)；

步骤2.检测接收端光学天线对测试光功率的衰减电压；具体分步骤如下：

1).采用与步骤1.中检测发射端光学天线对测试光功率的衰减量时相同的检测光源作为接收端检测光源，并采用相同的光功率，对检测光源进行光功率控制，使检测光源的发射光功率保持稳定；

2).在1).的基础上，并在光学天线清洁的情况下，测试接收端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U_R；

3).在1).的基础上，并在光学天线不清洁的情况下，测试接收端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U′_R；

4).设接收端光学天线出光面的面积为S_R1，接收端光检测器光敏面的面积为S_R2，它们的面积比为：η_R＝S_R1/S_R2；计算接收端光学天线对测试光功率的衰减电压：ΔU′_R＝η_RΔU_R＝η_R(U_R-U′_R)；

步骤3.检测大气信道对测试光功率的衰减量；具体分步骤如下：

1).采用步骤1.中检测发射端光学天线对测试光功率的衰减量时的检测光源作为发射光源，并采用相同的光功率，对发射光源进行功率控制，使发射光源的发射光功率保持稳定；

2).在1).的基础上，并在能见度相当好时，测试接收端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U；

3).在1).的基础上，并在光学天线不清洁的情况下，测试接收端光检测器所产生的光电流经放大器放大后的输出电压U′；

4).计算总衰减电压为：ΔU＝U-U′；设大气信道衰减电压为ΔU_C，则总衰减电压可表示为：ΔU＝ΔU_C+ΔU′_T+ΔU′_R＝ΔU_C+η_TΔU_T+η_RΔU_R；

5).计算大气信道衰减电压ΔU_C＝ΔU-η_TΔU_T-η_RΔU_R，ΔU_C即反映了大气信道(大气环境)中能见度的大小。

2、根据权利要求1所述的一种提高能见度测试仪测量精度的方法，其特征是，步骤1.一步骤3.中所述检测光源光功率控制方法为：采用光检测器检测检测光源的背向光，光检测器所得的光电流经放大器放大后转换为背向光检测电压；当光源功率发生变化时，背向光检测电压也发生相应的变化，信号处理单元根据背向光检测电压的变化为光功率控制电路提供控制信号，光功率控制电路通过光源驱动电路控制光源的输出功率，使光源输出光功率保持稳定。

3、根据权利要求1所述的一种提高能见度测试仪测量精度的方法，其特征是，步骤1.一步骤3.中所述光源可以采用半导体激光器或发光二极管。

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