小型高性能散射式能見度測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種長期可靠性高、準(zhǔn)確度高的小型高性能散射式能見度測量裝置及測量方法。該散射式大氣能見度測量裝置包括發(fā)射部分和探測部分，發(fā)射部分包括穩(wěn)光強(qiáng)驅(qū)動(dòng)源、發(fā)射光強(qiáng)度監(jiān)測電路、發(fā)射光纖和光纖準(zhǔn)直器；探測部分包括接收單元、光電信號(hào)處理與采集單元和計(jì)算機(jī)控制單元，所述接收單元采用光纖接收和傳輸散射光信號(hào)，探測的散射光束設(shè)有光電信號(hào)處理與采集單元，光電信號(hào)處理與采集單元輸出的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)控制單元，由計(jì)算機(jī)控制單元計(jì)算能見度。
【專利說明】小型高性能散射式能見度測量裝置及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計(jì)一種光輻射接收和測量裝置，特別是一種散射式大氣能見度測量裝置，屬于光輻射能量在大氣中傳播時(shí)散射系數(shù)測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]大氣能見度在大氣光通信、圖象傳輸和現(xiàn)代交通技術(shù)中產(chǎn)生著重要影響。能見度測量也一直受到人們的關(guān)注，隨著現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是高速公路、水運(yùn)和航空業(yè)的發(fā)展，需要對(duì)大氣能見度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能見度的測量也愈顯重要。能見度的測量依賴于光束消光系數(shù)的測量。典型的測量方法有前向散射法和透射法兩類。在現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)中，主要應(yīng)用前向散射式能見度儀，也稱散射式霧能見度傳感器。前向散射法選擇大氣吸收微弱的近紅外光，在與探測光束傳播方向成35°方向，測量角散射系數(shù)，再按一定的大氣光學(xué)模式計(jì)算總散射系數(shù)，并根據(jù)Koschmieder定律確定能見度,散射式能見度測量誤差決定于總散射系數(shù)的測量。在現(xiàn)有的前向散射法裝置中，對(duì)總散射系數(shù)測量誤差的主要決定因素如下:光學(xué)模式的影響、散射探測光束發(fā)散角的影響、背景輻射干擾和散射輻射產(chǎn)生的背景干擾及測試裝置結(jié)構(gòu)熱形變的影響等。此類裝置在測量35°散射角處的散射系數(shù)時(shí)，光接收部件收集到的入射光束并非嚴(yán)格定義下的平行光束，而是分布在較大錐角內(nèi)的光束，由此得到的散射系數(shù)比實(shí)際的該方向的散射系數(shù)大。由于現(xiàn)有散射式能見度儀的光源和光電探測器分別設(shè)置在發(fā)射頭和接收頭內(nèi)，一般發(fā)射頭和接收頭內(nèi)體積空間狹小，加之為防潮濕，均做成密閉，因此散熱性能極差，導(dǎo)致光源和光電探測器受環(huán)境溫度變化影響很大。本發(fā)明采用光纖傳輸探測光到發(fā)射頭，并用光纖把接收到的散射光傳輸給光電探測器，光源和光電探測器均安置在通風(fēng)和散熱條件良好的儀器箱內(nèi)。整機(jī)的抗熱性能明顯改善。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種長期可靠性高、能準(zhǔn)確測量能見度的小型高性能散射式大氣能見度測量裝置。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于提供散射式大氣能見度測量方法，該方法分別用兩根光纖傳輸探測光束和接收光束，實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)射光束強(qiáng)度，校準(zhǔn)發(fā)射光強(qiáng)度漂移影響，測量結(jié)果準(zhǔn)確。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種小型高性能散射式大氣能見度測量裝置，它包括發(fā)射部分和探測部分，發(fā)射部分包括LED光源、光源驅(qū)動(dòng)模塊，探測部分包括光電信號(hào)處理與采集單元和計(jì)算機(jī)控制單元，所述發(fā)射部件發(fā)出的光經(jīng)耦合器送入發(fā)射光纖，發(fā)射光纖經(jīng)發(fā)射頭發(fā)出光信號(hào)被大氣散射后，傳輸給接收單元的接收頭，由接收頭接收光信號(hào)，經(jīng)接收光纖傳輸后送入光電信號(hào)處理與采集單元。
[0007]所述發(fā)射部分還包括光分束片和凸透鏡，LED光源發(fā)出的光依次經(jīng)光分束片、凸透鏡送入耦合器；其中光分束片的部分出射光經(jīng)第一光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)控制單元；另一部分出射光經(jīng)第二光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)控制單元。
[0008]所述LED光源、光分束片、凸透鏡、耦合器，以及第一、第二光電探測器均設(shè)置在一金屬筒座內(nèi)；所述光電信號(hào)處理與采集單元設(shè)置在一屏蔽盒內(nèi)。
[0009]所述金屬筒座外設(shè)有第一半導(dǎo)體制冷器并連接第一溫度傳感器；所述屏蔽盒設(shè)有第二半導(dǎo)體制冷器并連接第二溫度傳感器；所述第一、第二半導(dǎo)體制體冷器和第一、第二溫度傳感器分別與計(jì)算機(jī)控制單元相連。
[0010]該裝置設(shè)有控制器箱、支架橫梁、支柱和安裝基座，支柱設(shè)在安裝基座上，支架橫梁和控制器箱安裝在支柱上，該裝置控制器外設(shè)置有發(fā)射頭和接收頭，發(fā)射光纖和接收光纖一端分別與發(fā)射頭和接收頭相連，另一端分別接入控制器箱。
[0011]所述耦合器由凸透鏡和金屬圓筒組成；所述發(fā)射頭和接收頭均由光準(zhǔn)直鏡和金屬圓筒組成。
[0012]利用上述裝置進(jìn)行大氣能見度測量方法，具體步驟包括:
[0013](I)通過LED光源發(fā)射光信號(hào)，由發(fā)射光纖將光信號(hào)傳輸?shù)桨l(fā)射頭，經(jīng)準(zhǔn)直后成為平行光發(fā)出，被大氣散射；
[0014](2)散射光經(jīng)接收頭接收，準(zhǔn)直后會(huì)聚到接收光纖，由接收光纖傳輸?shù)焦怆娦盘?hào)處理與采集單元；
[0015](3)處理后數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)控制單元，計(jì)算消光系數(shù)和能見度值。
[0016]該方法還包括以下步驟，
[0017]第一光電探測器采集光分束片分出的部分光信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算得出LED光源發(fā)射光強(qiáng)，低于設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射光驅(qū)動(dòng)電源增加發(fā)射光強(qiáng)；高于設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射光驅(qū)動(dòng)電源降低發(fā)射光強(qiáng)，允許誤差±0.1% ;
[0018]第二光電探測器采集光分束片分出的部分光信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算得出LED光源發(fā)射光強(qiáng)，對(duì)入射光強(qiáng)進(jìn)行糾偏。
[0019]該方法還包括以下步驟，
[0020]第一溫度傳感器采集金屬筒座外壁溫度，并與設(shè)定的溫度閾值Tl比較，高于溫度閾值Tl+0.05°C時(shí)，啟動(dòng)第一半導(dǎo)體制冷器制冷，至溫度閾值；低于溫度閾值T1-0.05°C時(shí)，啟動(dòng)第一半導(dǎo)體制冷器制熱，至溫度閾值，保持金屬筒座的溫度在溫度閾值附近微小變化。
[0021]該方法還包括以下步驟，
[0022]第二溫度傳感器采集屏蔽盒外壁溫度，并與設(shè)定的溫度閾值T2比較，高于溫度閾值T2+0.5°C時(shí)，啟動(dòng)第二半導(dǎo)體制冷器制冷，至溫度閾值；低于溫度閾值T2-0.5°C值時(shí)，啟動(dòng)第二半導(dǎo)體制冷器制熱，至溫度閾值，保持屏蔽盒的溫度在溫度閾值附近微小變化。
[0023]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024]1、本發(fā)明采用光纖傳輸探測光束和接收的散射光束，消除了太陽照射產(chǎn)生的溫升熱影響，跟蹤探測光束功率變化，能有效抑制探測光束強(qiáng)度漂移產(chǎn)生的影響。解決了長期以來困擾散射式能見度儀未能得以廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要問題。
[0025]2、本發(fā)明對(duì)探測器采取溫度控制措施，設(shè)置了第一、第二半導(dǎo)體制冷器，抑制了環(huán)境溫度的影響，提高了裝置的長期可靠性。
[0026]3、同時(shí)對(duì)LED發(fā)光器也米用溫度控制技術(shù),使輸出光波長穩(wěn)定,避免探測光波長不穩(wěn)對(duì)測量的影響。在電路設(shè)計(jì)方面，對(duì)電路進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，主要元器件均置于設(shè)有溫度控制的金屬筒座和屏蔽盒內(nèi)，有效地抑制了漂移，減小測量的不確定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為散射式能見度測量儀的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖2為實(shí)施例的發(fā)射部分總成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖3為實(shí)施例的探測部分總成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4為本發(fā)明中央控制系統(tǒng)的原理框圖。
[0031]圖5為本發(fā)明光信號(hào)處理系統(tǒng)原理圖。
[0032]圖中:a_支柱；b_支架橫梁；c_安裝基座；1-控制器箱；2_發(fā)射光纖；3_接收光纖；4_發(fā)射頭；5_接收頭。6-凸透鏡；7_金屬圓筒；8_金屬圓筒；9_光纖準(zhǔn)直器；10_金屬圓筒；11-光纖準(zhǔn)直器；12-光纖連接頭；13-半導(dǎo)體發(fā)光器模組；14-第一光電探測器；15_第二光電探測器；16_光分束片；17_凸透鏡；18_金屬筒座；19_第一半導(dǎo)體制冷器；20_第一溫度傳感器；21_發(fā)光器驅(qū)動(dòng)電源；22_計(jì)算機(jī)控制單元；23_光電信號(hào)處理與采集單元；24-第二半導(dǎo)體制冷器；25_第二溫度傳感器；26_光電探測器；27_前置放大器；28_帶通濾波器；29_有效值轉(zhuǎn)換器；30_數(shù)據(jù)采集單元。

【具體實(shí)施方式】
[0033]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的小型高性能散射式大氣能見度測量裝置，它包括發(fā)射部分和探測部分，探測部分包括接收頭5、光電信號(hào)處理與采集單元23和計(jì)算機(jī)控制單元22，接收頭采用光纖準(zhǔn)直器11，接收散射光束，將光束會(huì)聚后進(jìn)入接收光纖3，傳送到光電信號(hào)處理與采集單元23，輸出的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)控制單元22處理；由計(jì)算機(jī)控制單元22計(jì)算能見度。
[0034]光電信號(hào)處理與采集單元23包括:光電探測器26、前置放大器27、帶通濾波器28、有效值轉(zhuǎn)換器29、數(shù)據(jù)采集單元30。
[0035]光電信號(hào)處理與采集單元置于屏蔽盒內(nèi)，屏蔽盒設(shè)有第二溫度控制器。保證光電探測器26和屏蔽盒內(nèi)各元件的電氣性能參數(shù)不隨環(huán)境溫度變化而變化。
[0036]發(fā)射部分包括半導(dǎo)體發(fā)光器模組13、發(fā)光器驅(qū)動(dòng)電源21。半導(dǎo)體發(fā)光器模組13還設(shè)置有第一溫度控制器19、保證發(fā)光器發(fā)出光波長和功率不隨環(huán)境的變化而變化，并且有效抑制環(huán)境光變化對(duì)測量的影響。
[0037]半導(dǎo)體發(fā)光器模組13發(fā)射出的光束經(jīng)光分束片16部分反射分別投射到第一光電探測器14和第二光電探測器15，透過光分束片的光經(jīng)凸透鏡17準(zhǔn)直，經(jīng)耦合器凸透鏡6會(huì)聚后進(jìn)入發(fā)射光纖2傳送到發(fā)射頭4。
[0038]計(jì)算機(jī)控制單元內(nèi)包含有第一、第二半導(dǎo)體制冷器的驅(qū)動(dòng)電路，以及計(jì)算機(jī)接口電路。
[0039]第二光電探測器15對(duì)發(fā)射的探測光束長期變化進(jìn)行檢測，提供計(jì)算機(jī)控制單元做測量修正。
[0040]本發(fā)明的工作過程:
[0041]如圖4、圖5所示，本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光器13在驅(qū)動(dòng)電源21的驅(qū)動(dòng)下發(fā)射出頻率
1.0kHz光脈沖序列，經(jīng)光分束片16分成兩部分，一部分反射光分別被第一光電探測器14和第二光電探測器15檢測。另一部分經(jīng)凸透鏡17和6會(huì)聚到發(fā)射光纖2的輸入端，傳輸?shù)桨l(fā)射頭內(nèi)的光纖準(zhǔn)直器9，成為近似平行探測光束，經(jīng)過待測區(qū)域大氣散射后，在35°前向散射角方向，用光纖準(zhǔn)直器11收集散射光，并通過接收光纖3傳送到光電探測器28轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電探測器28輸出的光電信號(hào)依次經(jīng)過前置放大器29、帶通濾波器30、和有效值轉(zhuǎn)換器31被轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，其大小與接收單元接收到的散射光功率成正比，計(jì)算機(jī)控制單元23通過采集數(shù)據(jù)并計(jì)算光信號(hào)的平均功率,根據(jù)發(fā)射光功率,計(jì)算待測散射系數(shù)，按下面的式⑵或⑷計(jì)算能見度。
[0042]第一光電探測器14實(shí)時(shí)采樣光信號(hào)，計(jì)算機(jī)對(duì)其采樣頻率約為3000次/秒，計(jì)算機(jī)控制單元23根據(jù)第一光電探測器14檢測到的光信號(hào)，調(diào)節(jié)發(fā)光器驅(qū)動(dòng)電源21穩(wěn)定半導(dǎo)體發(fā)光器的發(fā)光強(qiáng)度。第二光電探測器15采樣光信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)控制單元濾波，得到直流信號(hào)，計(jì)算機(jī)對(duì)其采樣頻率約為3次/秒，根據(jù)第二光電探測器15檢測到的光信號(hào)，監(jiān)測發(fā)射探測光束的長期變化，對(duì)發(fā)射光強(qiáng)度的漂移進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。
[0043]本發(fā)明的工作原理:
[0044]以氣象視距表示能見度，按地面觀測規(guī)范之規(guī)定，當(dāng)遠(yuǎn)處目標(biāo)物-背景對(duì)比度下降為近處對(duì)比度的0.02時(shí)，所對(duì)應(yīng)的距離定義為能見度，它由Koschmieder定律給出

【權(quán)利要求】
1.一種小型高性能散射式大氣能見度測量裝置，它包括發(fā)射部分和探測部分，發(fā)射部分包括LED光源、光源驅(qū)動(dòng)模塊，探測部分包括光電信號(hào)處理與采集單元和計(jì)算機(jī)控制單元，其特征是:所述發(fā)射部件發(fā)出的光經(jīng)耦合器送入發(fā)射光纖，發(fā)射光纖經(jīng)發(fā)射頭發(fā)出光信號(hào)被大氣散射后，傳輸給接收單元的接收頭，由接收頭接收光信號(hào)，經(jīng)接收光纖傳輸后送入光電信號(hào)處理與采集單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特征是:所述發(fā)射部分還包括光分束片和凸透鏡，LED光源發(fā)出的光依次經(jīng)光分束片、凸透鏡送入稱合器；其中光分束片的部分出射光經(jīng)第一光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)控制單元；另一部分出射光經(jīng)第二光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)控制單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特征是:所述LED光源、光分束片、凸透鏡、I禹合器，以及第一、第二光電探測器均設(shè)置在一金屬筒座內(nèi)；所述光電信號(hào)處理與采集單元設(shè)置在一屏蔽盒內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特征是:所述金屬筒座外設(shè)有第一半導(dǎo)體制冷器并連接第一溫度傳感器；所述屏蔽盒設(shè)有第二半導(dǎo)體制冷器并連接第二溫度傳感器；所述第一、第二半導(dǎo)體制體冷器和第一、第二溫度傳感器分別與計(jì)算機(jī)控制單元相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特征是:該裝置設(shè)有控制器箱、支架橫梁、支柱和安裝基座，支柱設(shè)在安裝基座上，支架橫梁和控制器箱安裝在支柱上，該裝置控制器外設(shè)置有發(fā)射頭和接收頭，發(fā)射光纖和接收光纖一端分別與發(fā)射頭和接收頭相連，另一端分別接入控制器箱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特征是:所述耦合器由凸透鏡和金屬圓筒組成；所述發(fā)射頭和接收頭均由光準(zhǔn)直鏡和金屬圓筒組成。
7.利用權(quán)利要求1所述裝置進(jìn)行大氣能見度測量方法，其特征是:具體步驟包括: (1)通過LED光源發(fā)射光信號(hào)，由發(fā)射光纖將光信號(hào)傳輸?shù)桨l(fā)射頭，經(jīng)準(zhǔn)直后成為平行光發(fā)出，被大氣散射； (2)散射光經(jīng)接收頭接收，準(zhǔn)直后會(huì)聚到接收光纖，由接收光纖傳輸?shù)焦怆娦盘?hào)處理與米集單兀； (3)處理后數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)控制單元，計(jì)算消光系數(shù)和能見度值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大氣能見度測量方法，該方法還包括以下步驟， 第一光電探測器采集光分束片分出的部分光信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算得出LED光源發(fā)射光強(qiáng)，低于設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射光驅(qū)動(dòng)電源增加發(fā)射光強(qiáng)；高于設(shè)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射光驅(qū)動(dòng)電源降低發(fā)射光強(qiáng)； 第二光電探測器采集光分束片分出的部分光信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換計(jì)算得出LED光源發(fā)射光強(qiáng)，對(duì)入射光強(qiáng)進(jìn)行糾偏。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的大氣能見度測量方法，該方法還包括以下步驟， 第一溫度傳感器采集金屬筒座外壁溫度，并與設(shè)定的溫度閾值Tl比較，高于溫度閾值Tl+0.05°C時(shí)，啟動(dòng)第一半導(dǎo)體制冷器制冷，至溫度閾值；低于溫度閾值T1-0.05°C時(shí)，啟動(dòng)第一半導(dǎo)體制冷器制熱，至溫度閾值。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的大氣能見度測量方法，該方法還包括以下步驟， 第二溫度傳感器采集屏蔽盒外壁溫度，并與設(shè)定的溫度閾值T2比較，高于溫度閾值T2+0.5°C時(shí)，啟動(dòng)第二半導(dǎo)體制冷器制冷，至溫度閾值；低于溫度閾T2-0.5°C值時(shí)，啟動(dòng)第二半導(dǎo)體制冷器制熱，至溫度閾值。
【文檔編號(hào)】G01N21/47GK104132915SQ201410390846
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】肖韶輝, 孫國磐 申請(qǐng)人:南京格術(shù)光電技術(shù)有限公司