CN204536577U - 一种能见度标定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种能见度标定系统，其包括：滑动导轨装置、平台小车、激光发射装置、光电接收装置和控制及数据处理装置，所述平台小车可滑动的装设在所述滑动轨道装置上，所述平台小车上设置有光电接收装置和控制及数据处理装置，所述滑动轨道装置的一端固定设置有激光发射装置，所述平台小车和光电接收装置分别连接所述控制及数据处理装置。该系统能够标定能见度仪的精度和误差。

Description

一种能见度标定装置

技术领域

本实用新型涉及环保设备技术领域，具体是指能见度标定装置。

背景技术

随着经济的发展，各种气象要素的精确测量和预报越来越需要；特别是交通运输事业的迅速发展，各种交通工具的增加和速度的提高，各领域对能见度测量仪器的需求更加迫切。在航空、航海、高速公路和港口等交通运输领域，能见度对交通安全有着重要的影响。以航空领域为例，能见度的准确测量，对保证飞机安全着陆和起飞是极为重要的。在所有的航报站上都专门进行了应用于飞行业务的天气观测，必须经常报告快速变化的天气情况，特别是关于低云高度和低能见度。能见度直接反映了飞行员的视程大小，决定着飞机能否成功起飞或着陆，是保障飞行安全的重要气象要素之一。而现有能见度测量设备或新开发设备的准确性、可靠性如何标定仍有待解决。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种能见度标定装置，能够标定能见度仪的精度和误差。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型提供一种能见度标定系统，其包括：滑动导轨装置、平台小车、激光发射装置、光电接收装置和控制及数据处理装置，所述平台小车可滑动的装设在所述滑动轨道装置上，所述平台小车上设置有光电接收装置和控制及数据处理装置，所述滑动轨道装置的一端固定设置有激光发射装置，所述平台小车和光电接收装置分别连接所述控制及数据处理装置。

优选地，所述滑动导轨装置包括：至少一根导轨，所述导轨上间隔设置有感应片；

所述平台小车包括：安装底板、小车外罩、滚轮、齿轮、伺服电机、减速器、PLC(可编程控制器)、接近传感器、蓄电池和逆变器，所述小车外罩设置在所述安装底板上，所述安装底板与小车外罩之间设置有伺服电机、减速器、PLC、蓄电池和逆变器，所述安装地板的底部设置有滚轮和接近传感器，所述PLC连接所述伺服电机，所述伺服电机传动连接所述减速器，所述减速器传动连接所述齿轮，所述齿轮传动连接所述滚轮，所述滚轮可滑动的装设在所述导轨上，所述逆变器分别连接所述蓄电池和所述伺服电机；

所述激光发射装置包括：激光器、斩波器和发射光路透镜装置，所述斩波器设置在所述激光器的出口，所述发射光路透镜装置设置在所述斩波器前方且位于所述激光器的光路上；

所述光电接收装置包括：接收光学透镜装置、光电探测器和锁相放大器，所述接收光学透镜装置设置在发射光路透镜装置的光路上且位于光电探测器的前方，所述光电探测器设置在所述锁相放大器的前方且所述光电探测器连接所述锁相放大器，所述锁相放大器连接所述斩波器；

所述控制及数据处理装置包括工控机，所述工控机连接所述锁相放大器、PLC和蓄电池。

优选地，所述能见度标定系统，包括调整架，激光器设置在所述调整架上，所述调整架装设在所述导轨的一端

实施本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：本实用新型提供的能见度标定装置基于对大气环境的近似真实模拟，通过在同一能见度条件下，光学测量设备沿滑轨的移动测量，测定待测大气的高精度能见度值，进而使用该高精度能见度值比对待测被测能见度仪的数值，衡量待测能见度仪的精度和误差。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的能见度标定系统的侧面结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的能见度标定系统的结构原理图；

图3为本实用新型实施例提供的能见度标定系统的立体图；

图4为不同能见度条件下大气透过率衰减示意图；

图5为每米大气透过率衰减程度示意图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供一种能见度标定系统，如图1、图2和图3所示，包括：滑动导轨装置100、平台小车200、激光发射装置300、光电接收装置400和控制及数据处理装置500，所述平台小车200可滑动的装设在所述滑动轨道装置100上，所述平台小车200上设置有光电接收装置400和控制及数据处理装置500，所述滑动轨道装置100的一端固定设置有激光发射装置300，所述平台小车200和光电接收装置分别连接所述控制及数据处理装置。当激光发射装置300发射出激光束后，在滑动导轨装置100上移动平台小车200，搭载在平台小车上的光电接收装置400可获得不同距离的激光衰减信号，经过数据采集和处理，得到当前能见度值。进而使用该高精度能见度值比对待测被测能见度仪的数值，衡量待测能见度仪的精度和误差。

在更为具体的实施例中，在上述实施例基础上，进一步的，所述滑动导轨装置包括：至少一根导轨101，所述导轨101上间隔设置有感应片102；优选的实施例中，该滑动导轨装置包括：2根长为55m钢构导轨，两根导轨间距0.35m，在55m长度范围内，每隔5m距离安装感应片102。

所述平台小车200包括：安装底板202、小车外罩、滚轮203、齿轮、伺服电机、减速器、PLC、接近传感器201、蓄电池204和逆变器205，所述小车外罩设置在所述安装底板上，所述安装底板与小车外罩之间设置有伺服电机、减速器、PLC、蓄电池，所述安装地板的底部设置有滚轮和接近传感器，所述PLC连接所述伺服电机，所述伺服电机传动连接所述减速器，所述减速器传动连接所述齿轮，所述齿轮传动连接所述滚轮203，所述滚轮可滑动的装设在所述导轨上，所述逆变器分别连接所述蓄电池和所述伺服电机。PLC控制伺服电机运转，通过齿轮带动滚轮203转动，从而控制该平台小车200的运动速度、往返次数、停留时间等。根据接近传感器201的信号，检测平台小车200的位置。平台小车200运动过程中X/Y方向偏差极低，保证在整个测试过程中，光电探测器的探头始终处于有效接收光路中。

采用接近传感器201和感应片102的方式实现平台小车200位置精确定位，当平台小车200运动到不同点位，测量所在位置处的透过率，从而可计算能见度值。

所述激光发射装置包括：激光器301、斩波器302和发射光路透镜装置(凸透镜)303，所述斩波器302设置在所述激光器301的出口，所述发射光路透镜装置303设置在所述斩波器302前方且位于所述激光器301的光路上；

优选地，该激光器301的功率为30mw，工作模式：CW，功率稳定性：<1％(超过4小时)，波长：532nm，发散角<1.5mrad，光斑直径1.2mm。激光发射装置的激光器用于发射激光束，斩波器放置于激光器出口，将连续的激光束调谐为脉冲光。激光器产生的激光经过发射光路透镜装置303(该发射光路透镜装置可以为凸透镜)进行扩束，沿导轨方向发射。

所述光电接收装置400包括：接收光学透镜装置401(一个透镜组，把平行光耦合聚焦到光电探测器上)、光电探测器402和锁相放大器403，所述接收光学透镜装置设置在光电探测器的前方，所述光电探测器设置在所述锁相放大器的前方，所述斩波器302连接锁相放大器403；经过发射光路透镜装置303扩束后的激光束在空气中传播后通过接收光学透镜装置401并被光电探测器402接收，光电探测器402的信号接入锁相放大器的信号通道，进行光能量的采集。

所述控制及数据处理装置500包括工控机501，优选地的，为嵌入式工控机，所述工控机连接所述光电接收装置和PLC。接收锁相放大器的信号，并对接收到的信号进行分析处理，并根据分析处理结果控制光电接收装置以及PLC工作状态。

在其他实施例中，在上述实施例基础上，所述能见度标定系统还包括调整架，激光器设置在所述调整架上，所述调整架装设在所述导轨的一端。通过手动调整发射单元调整架，可改变发射的激光束位置和方向。

下面为上述实施例的应用例：

当平台小车运动到不同点位，测量所在位置处的透过率，从而可计算能见度值，透过率测量范围为0～0.9900，透过率测量误差小于0.1％。

根据比尔朗伯定律，有公式(1)：

$I=I_0\&CenterDot;\exp (-{\&Integral;}_0^B\mathrm{\&sigma;}\left(r\right)\mathrm{dr})$

其中，I₀表示入射光强度，单位为：坎德拉；I表示出射光强度，单位：坎德拉；B为作用大气的长度，单位为：米；σ为吸收几率。

当模拟舱内大气是均匀时，则有公式(2)和公式(3)：

I＝I₀·exp(-Bσ)     (2)

$\mathrm{\&sigma;}=-\frac{\ln \left(\frac{I}{I_0}\right)}{B}=-\frac{\ln \left(T\right)}{B}$

公式(3)Koschmieder(简称K氏公式，科施米德尔公式)仅在波长为0.55μm时有效，更严格的公式要考虑对波长的依赖关系，见公式(4)、公式(5)和公式(6)，最早由Angstrom(昂斯特伦)提出：

σ＝Aλ^-q         (4)

$A=\frac{C}{V}{\left(0.55\right)}^q---\left(5\right)$

$\mathrm{\&sigma;}=\frac{C}{V}{\left(\frac{0.55}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^q---\left(6\right)$

上面公式中V的单位是km，λ的单位为m，A表示系数q有公式(7)：

$q=\left\{\begin{array}{cc}{0.585V}^{\frac{1}{3}}& V<6\mathrm{km}\\ 1.3& 6\mathrm{km}\&le;V<50\mathrm{km}\\ 1.6& V\&GreaterEqual;50\mathrm{km}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由公式(3)和公式(6)可得公式(8)：

$V=-\frac{\mathrm{CB}}{\ln \left(T\right)}{\left(\frac{0.55}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^q---\left(8\right)$

式中，V表示能见度值；其中C为矫正因子，与光波波长，能见度范围，仪器噪声有关(一般由厂家根据自身仪器特点进行设定)，在理论上最初经典公式计算为3.912，但是实际情况往往不能达到，在航空气象中一般取3。标定系统主要是对2km以下的能见度进行标定，则公式(8)可得：

$V=-\frac{3\&CenterDot;B}{\ln \left(T\right)}{\left(\frac{0.55}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{{0.585V}^{\frac{1}{3}}}---\left(9\right)$

对于2km能见度的标定情况大气透过率与作用距离的关系如图4所示。

$T=e^{\frac{-3\&CenterDot;B}{V}\&CenterDot;{\left(\frac{0.55}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^{0.585\&CenterDot;V^{1/3}}}---\left(10\right)$

对于200～2000m的能见度对应的透过率的每米的衰减程度如图5所示。

从图4和图5中可以看出要使整个校准系统能够满足2km以下的能见度的标定，那么仪器的最小分辨率以及光电探测器的动态范围满足2km情况下即可。对于2km能见度，50米长度大气内的每米衰减程度最小为0.1743％，数值如表1所示：

表1 不用作用距离长度上每米透过率衰减：

距离	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											衰减	0.0015	0.0015	0.0015	0.001	0.0015	0.0015	0.001	0.0015	0.0015	0.0015
距离	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
											衰减	0.0015	0.0015	0.0015	0.001	0.0015	0.0015	0.001	0.0014	0.0014	0.0014
距离	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
											衰减	0.0014	0.0014	0.0014	0.001	0.0014	0.0014	0.001	0.0014	0.0014	0.0014
距离	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40
											衰减	0.0014	0.0014	0.0014	0.001	0.0014	0.0014	0.001	0.0014	0.0014	0.0014
距离	41	42	43	44	45	46	47	48	49	50
											衰减	0.0014	0.0014	0.0014	0.001	0.0014	0.0014	0.001	0.0014	0.0014	0.0014

表2 不同距离上的激光透过率值：

采用532nm连续激光作为光源进行标定，分段测量出每米之间的激光大气透过率衰减值，根据以上公式标定出此刻的能见度大小。

激光器发射出532nm的激光光斑大小2mm，全发散角1.2mrad，斩波器放置于激光发射端，将连续激光调制为脉冲光，斩波器的参考信号输入到锁相放大器的参考通道。激光发射光束经过20倍扩束成40mm，压缩发散角至0.06mrad，传播50m之后的光斑变为43mm，接收光学透镜装置采用一个100mm口径的凸透镜接收，足以消除小车在滑轨上滑动因移动误差带来的光路偏转影响。

扩束后的激光束穿越待工作大气，由接收光学透镜装置接收，接收激光汇聚在光电探测器的表面。光电探测器输出的模拟信号接入到锁相放大器的信号输入端。嵌入式工控机连接锁相放大器，采集锁相放大器中的数字信号，通过无线网络去操作室内计算机相连接。操作室内计算机编有上位机程序，能够逐一读取每个点位的激光强大大小，通过个点之间相减，多点平均可以得到此刻的大气透过率值，根据公式可以获得大气能见度的大小。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种能见度标定系统，其特征在于，包括：滑动导轨装置、平台小车、激光发射装置、光电接收装置和控制及数据处理装置，所述平台小车可滑动的装设在所述滑动轨道装置上，所述平台小车上设置有光电接收装置和控制及数据处理装置，所述滑动轨道装置的一端固定设置有激光发射装置，所述平台小车和光电接收装置分别连接所述控制及数据处理装置。

2.如权利要求1所述能见度标定系统，其特征在于，所述滑动导轨装置包括：至少一根导轨，所述导轨上间隔设置有感应片；

所述平台小车包括：安装底板、小车外罩、滚轮、齿轮、伺服电机、减速器、PLC、接近传感器、蓄电池和逆变器，所述小车外罩设置在所述安装底板上，所述安装底板与小车外罩之间设置有伺服电机、减速器、PLC、蓄电池和逆变器，所述安装地板的底部设置有滚轮和接近传感器，所述PLC连接所述伺服电机，所述伺服电机传动连接所述减速器，所述减速器传动连接所述齿轮，所述齿轮传动连接所述滚轮，所述滚轮可滑动的装设在所述导轨上，所述逆变器分别连接所述蓄电池和所述伺服电机；

所述激光发射装置包括：激光器、斩波器和发射光路透镜装置，所述斩波器设置在所述激光器的出口，所述发射光路透镜装置设置在所述斩波器前方且位于所述激光器的光路上；

所述光电接收装置包括：接收光学透镜装置、光电探测器和锁相放大器，所述接收光学透镜装置设置在发射光路透镜装置的光路上且位于光电探测器的前方，所述光电探测器设置在所述锁相放大器的前方且所述光电探测器连接所述锁相放大器，所述锁相放大器连接所述斩波器；

所述控制及数据处理装置包括工控机，所述工控机连接所述锁相放大器、PLC和蓄电池。

3.如权利要求2所述能见度标定系统，包括调整架，激光器设置在所述调整架上，所述调整架装设在所述导轨的一端。