CN206523649U - 一种大气流场光学测量仪 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种大气流场光学测量仪,包括发射光路装置、接受光路装置和检测装置,发射光路装置产生可见光,通过高速斩波器、汇聚透镜、窗口发射出来,通过一定的距离后进入接收光路装置;然后光信号通过检测装置进入数据采集单元,并由控制单元进行检测。本实用新型的大气流场光学测量仪能够直接测量大气消光系数和反映大气湍流强度的大气折射率结构常数、并兼备同步获取大气温度、湿度和气压等气象参数的功能,实现大气能见度、大气折射率结构常数(大气湍流强度)、及大气温压湿等气象参数的一体化同步在线测量,自动化程度高,稳定性好。

Description

一种大气流场光学测量仪
技术领域
本实用新型属于环境检测领域,具体涉及一种大气流场光学测量仪。
背景技术
大气流场(湍流)是大气中的一种重要运动形式,湍流每一点上的压强、速度、温度等物理特性会随机涨落,大气湍流的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强,远大于分子运动的交换强度,同时它对光波、声波和电磁波在大气中的传播产生一定的干扰作用。同时大气湍流又是发生在大气边界层内的主要运动形式,而大气边界层是人类的生活和生产活动主要场所,由人类活动带来污染物的排放、传输和转化大部分发生在该层,因此大气边界层的环境问题直接影响到人类的健康和生存。大气湍流特征的测量研究是天气/气候及大气环境模式中大气边界层物理过程参数化方案的改进以提高其模拟性能的关键科学问题之一,也是当前大气科学、空气污染、健康研究的基础前沿科学问题。
目前,目前国内外关于大气能见度(大气消光:分子和气溶胶粒子消光)及大气湍流(气体流场)的测量是分开进行的(比如能见度仪测量能见度,超声风速仪测量风速)。然而事实上,气溶胶粒子是分布于大气之中的,也就是说是在湍流气团之内的。气溶胶粒子与大气湍流气团之间是相互作用的,一方面大气湍流带动气溶胶粒子运动,另一方面气溶胶粒子也拖曳湍流气团的运动,它们之间的伴随与跟随、迟滞与阻碍、拖曳与被拖曳之间的关系使得我们在探测大气能见度(消光系数)和大气湍流特征时,应该同时考虑它们之间的相互作用,这也是污染扩散中的重要环节,而现在已由的测量仪器恰恰忽略了这一点,其忽略的原因在于这个问题是大气科学研究中的难题之一,是大气科学中的基础科学。
实用新型内容
实用新型目的:为解决现有技术中存在的问题,本实用新型提供一种大气流场光学测量仪,实现大气能见度、消光系数、大气折射率结构常数、大气湍流强度、风速及大气温压湿等气象参数的一体化同步在线测量。
技术方案:为实现上述技术方案,本实用新型的大气流场光学测量仪包括发射光路装置、接收光路装置、检测装置、数据采集装置和控制装置,所述发射光路装置用于产生平行的出射光,通过接收光路装置汇聚并输出光电信号,同时通过数据采集装置检测发射光路装置和接收光路装置的温压湿信号,并进一步将所述光电信号和温压湿信号通过控制装置进行检测和处理,具体地,大气能见度vis 是测量大气消光系数σ获得,即vis=3.912/σ,大气消光系数由光电系数再转化为消光系数反映大气湍流强度的大气折射率结构常数Cn 2,通过温度的测量结果,它可以用下式获得式中,T为大气温度,λ为波长,为温度结构函数。
具体地,所述发射光路装置包括第一壳体和依次设置于所述第一壳体内部的光源、斩波器、第一透镜、第二透镜和第一窗口;所述发射光路装置产生的可见光,依次通过斩波器调频、第一透镜汇聚和第二透镜转换成平行光从第一窗口发射出来,通过一定的距离后进入接收光路装置。
所述接收光路装置包括第二壳体和依次设置于所述第二壳体内部的第二窗口、第三透镜、第四透镜和光电探测器;来自发射光路装置的出射光通过第二窗口进入,并经第三透镜和第四透镜的汇聚后进入光电探测器,得到光电信号。
所述数据采集装置包括设置于第一控制箱、视频采样器、第一温压湿传感器、第二控制箱和第二温压湿传感器,所述第一控制箱、视频采样器和第一温压湿传感器分别设置于第一壳体的外部,视频采样器通过固定一定间隔时间对固定目标物进行图形像采集,并对使用灰度分析的方式进行对比度分析,获取天气状况信息,如每3分钟、5分钟、10分钟、30分钟、1小时间隔进行检测。所述第一控制箱用于触发光源发出可见光波长、控制视屏采样器进行天气状况采样(包括晴空、降水、视程障碍、大气光像和雷电等)以及温湿度传感器的检测;所述第二控制箱和第二温压湿传感器分别设置于第二壳体的外部,所述第二控制箱用于接收来自光电探测器的光信号和控制第二温压湿传感器的检测。
所述控制装置包括控制电脑和电源,来自数据采集装置的采集数据由控制电脑进行控制。
优选地,来自发射光路装置的出射光在经过35-75m长。基线之后到达接收光路装置,本实用新型为双端式探测器,主要是收发分置,为保证测量精度,需要有一个相对较长的基线,这个基线需>30m,<75m;这样选择的依据是大气动态变化会影响测量精度,同时考虑到光源能量的衰减量,基线过长(如>75m) 有可能会使接收探测器检测不到足够强度的光信号;基线过短(如<30m)可能会使接收探测器饱和;因此优选35-75m长度基线,范围可根据场地的大小可调。
所述第一壳体表面设置有第一风扇和第一通风窗,所述第二壳体表面设置有第二风扇和第二通风窗。
所述第一壳体的下方设置有第一支柱和第一基座,用于支撑所述第一壳体;所述第二壳体下方设置有第二支柱和第二基座,用于支撑所述第二壳体。
有益效果:与现有技术相比,本实用新型的大气流场光学测量仪能够直接测量大气能见度、大气消光系数和大气流场(湍流)起伏强度、大气折射率结构常数、大气风速,并兼备同步获取大气温度、湿度和气压等气象参数的功能,实现大气能见度、消光系数、大气折射率结构常数、大气湍流强度、风速及大气温压湿等气象参数的一体化同步在线测量,自动化程度高,稳定性好。
附图说明
图1为本实用新型装置的结构示意图;
图2为本实用新型所测量的大气折射率结构常数随时间变化图;
图3为本实用新型所测量的大气能见度和消光系数随时间变化图;
图4为本实用新型所测量的温度随时间变化图;
图5为本实用新型所测量的相对湿度随时间变化图;
图6为本实用新型所测量的气压随时间变化图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例详细说明本实用新型。
如图1所示,一种大气流场光学测量仪,包括发射光路装置、接收光路装置、数据采集装置和控制装置。
其中,发射光路装置包括第一壳体和依次设置于第一壳体内部的光源1、斩波器2、第一透镜3、第二透镜4和第一窗口5;发射光路装置产生的可见光,依次通过斩波器调频、第一透镜汇聚和第二透镜转换成平行光从第一窗口发射出来,通过一定的距离后进入接收光路装置;第一壳体表面设置有第一风扇6和第一通风窗7,第一壳体的下方设置有第一支柱10和第一基座11。
接收光路装置包括第二壳体和依次设置于第二壳体内部的第二窗口14、第三透镜15、第四透镜16和光电探测器17;来自发射光路装置的出射光通过第二窗口进入,并经第三透镜和第四透镜的汇聚后进入光电探测器,得到光电信号,第二壳体表面设置有第二风扇18和第二通风窗19,第二壳体下方设置有第二支柱21和第二基座22,用于支撑第二壳体。
数据采集装置包括设置于第一控制箱9、视频采样器23、第一温压湿传感器 8、第二控制箱20和第二温压湿传感器24,第一控制箱、视频采样器和第一温压湿传感器分别设置于第一壳体的外部,视频采样器通过固定一定间隔时间对固定目标物进行图形像采集,并对使用灰度分析的方式进行对比度分析,获取天气状况信息,如每3分钟、5分钟、10分钟、30分钟、1小时间隔进行检测。所述第一控制箱用于触发光源发出可见光波长、控制视屏采样器进行天气状况采样 (包括晴空、降水、视程障碍、大气光像和雷电等)以及温湿度传感器的检测;第二控制箱和第二温压湿传感器分别设置于第二壳体的外部,第二控制箱用于接收来自光电探测器的光信号和控制第二温压湿传感器的检测。
控制装置包括控制电脑和电源,来自数据采集装置的采集数据由控制电脑进行控制。
在检测时,第一控制箱9触发LED光源1发出可见光波长,通过斩波器2 调频至110KHz,然后通过第一透镜3和第二透镜4变成平行出射光经过第一窗口5射出,在经过35-75m长的基线之后到达接收光学装置的第二窗口14,然后经过第三透镜15汇聚到第四透镜16进入光电探测器17,然后光电信号进入第二控制箱20;同时第一控制箱9也控制视屏采样器23进行天气状况采样和第一温湿度传感器8的运行;第二控制箱20也控制第二温湿度传感器24;数据及控制采集信号最终进入系统控制电脑12,由供电电源13进行供电。大气能见度vis 是测量大气消光系数σ获得,即vis=3.912/σ,大气消光系数由光电系数再转化为消光系数反映大气湍流强度的大气折射率结构常数Cn 2,通过温度的测量结果,它可以用下式获得式中,T为大气温度,λ为波长,为温度结构函数。
下面通过本实用新型的装置对张家港的环境进行检测并记录,检测结果如图 2~6所示。
本实用新型的大气流场光学测量仪能够直接测量大气能见度、大气消光系数和大气流场(湍流)起伏强度、大气折射率结构常数、大气风速,并兼备同步获取大气温度、湿度和气压等气象参数的功能,实现大气能见度、消光系数、大气折射率结构常数、大气湍流强度、风速及大气温压湿等气象参数的一体化同步在线测量。

Claims (6)

1.一种大气流场光学测量仪,其特征在于,包括发射光路装置、接收光路装置、数据采集装置和控制装置,所述发射光路装置用于产生平行的出射光,通过接收光路装置汇聚并输出光电信号,所述数据采集装置用于检测发射光路装置和接收光路装置的温压湿信号,并进一步将所述光电信号和温压湿信号通过控制装置进行检测和处理;所述发射光路装置包括第一壳体和依次设置于所述第一壳体内部的光源、斩波器、第一透镜、第二透镜和第一窗口;所述发射光路装置产生的可见光,依次通过斩波器调频、第一透镜汇聚和第二透镜转换成平行光从第一窗口发射出来,通过一定的距离后进入接收光路装置;所述接收光路装置包括第二壳体和依次设置于所述第二壳体内部的第二窗口、第三透镜、第四透镜和光电探测器;来自发射光路装置的出射光通过第二窗口进入,并经第三透镜和第四透镜的汇聚后进入光电探测器,得到光电信号。
2.根据权利要求1所述的大气流场光学测量仪,其特征在于,所述数据采集装置包括设置于第一控制箱、视频采样器、第一温压湿传感器、第二控制箱和第二温压湿传感器,所述第一控制箱、视频采样器和第一温压湿传感器分别设置于第一壳体的外部,所述第一控制箱用于触发光源发出可见光波长、控制视屏采样器进行天气状况采样以及温湿度传感器的检测;所述第二控制箱和第二温压湿传感器分别设置于第二壳体的外部,所述第二控制箱用于接收来自光电探测器的光信号和控制第二温压湿传感器的检测。
3.根据权利要求1所述的大气流场光学测量仪,其特征在于,所述控制装置包括控制电脑和电源,来自数据采集装置的采集数据由控制电脑进行控制。
4.根据权利要求1所述的大气流场光学测量仪,其特征在于,来自发射光路装置的出射光在经过35-75m长的基线之后到达接收光路装置。
5.根据权利要求1所述的大气流场光学测量仪,其特征在于,所述第一壳体表面设置有第一风扇和第一通风窗,所述第二壳体表面设置有第二风扇和第二通风窗。
6.根据权利要求1所述的大气流场光学测量仪,其特征在于,所述第一壳体的下方设置有第一支柱和第一基座,用于支撑所述第一壳体;所述第二壳体下方设置有第二支柱和第二基座,用于支撑所述第二壳体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106324706A (zh) * 2016-09-19 2017-01-11 苏州光讯环境科技有限公司 一种大气流场光学测量仪
CN108760226A (zh) * 2018-05-04 2018-11-06 西华大学 一种探测大气湍流结构常数的方法及装置
CN109239012A (zh) * 2018-07-25 2019-01-18 中国科学院合肥物质科学研究院 利用飞行器测量下垫面大气蒙气差的系统及测试方法

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