CN102636459B - 一种前向散射与透射结合的能见度测量仪及其测量方法 - Google Patents

一种前向散射与透射结合的能见度测量仪及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种前向散射与透射结合的能见度测量仪及其测量方法，包括发射器、透射接收器、散射接收器和控制器，发射器用于向透射接收器和散射接收器发射光信号；透射接收器用于将接收到的光信号转换为透射电信号；散射接收器用于将接收到的光信号转换为电信号；控制器用于接收所述透射接收器和散射接收器发来的电信号，并根据两电信号计算得到能见度。通过散射信号与透射信号对比测量得到大气消光系数，从而测得大气能见度。在前向散射测量的基础上增加一路透射光的测量，以透射测值作为参考对能见度进行修正，以减小环境灰尘对镜头的污染和发光管老化引起的功率下降等因素对仪器测量结果的影响。提高仪器的测量精度延长镜头的清理周期。

Description

一种前向散射与透射结合的能见度测量仪及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种能见度测量仪及其测量方法，尤指一种前向散射与透射结合的能见度测量仪及其测量方法。
背景技术
能见度是气象观测中一个非常重要的要素，它的测报不仅用于气象部门的天气分析，还用来描述大气的污染程度，是对大气污染情况的一个直接反映；随着科技的发展，各种能见度自动测量仪器在不断更新。我国对能见度自动测量仪器的需求越来越大，尤其是现阶段高速公路建设迅猛发展和森林火灾检测等方面的需求，研制性价比高，体积小，重量轻，便于装校的能见度仪有重大意义。
目前市场上的流行能见度仪器主要分为透射式和散射式。透射式能见度仪因需要基线，占地范围大，安装复杂，不适合高速公路沿线、森林及海岸台站，主要应用在民航***。散射式能见度仪又分为后向散射式和前向散射式：后向散射式取样体积较大，结构简单，但前方不能有高的遮挡物；前向散射式以其体积小和低廉的价格，广泛应用于码头、高速公路等***。能见度仪同其它气象仪器一样，一旦开动便需要不停地工作，同时这是一种装调精密且在外场工作的仪器。从整个能见度测量仪来看，仪器发光管老化和镜头污染会影响到仪器的测量精度，即便是可以更换光源和清理镜头，更换和清理一次也是非常麻烦的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种测量精度高、受仪器发光管和环境影响较小的能见度测量仪及其测量方法。
为实现上述目的，本发明的前向散射与透射结合的能见度测量仪，包括发射器、透射接收器、散射接收器和控制器，发射器用于向透射接收器和散射接收器发射光信号；透射接收器用于将接收到的光信号转换为电信号；散射接收器用于将接收到的光信号转换为电信号；控制器用于接收所述透射接收器和散射接收器发来的电信号，并根据两电信号计算得到能见度。
进一步，所述发射器、透射接收器和散射接收器的光轴在同一个水平面上，透射接收器设置在发射器的正对面；散射接收器设置在发射器的侧对面，并与发射器呈一散射角；发射器到透射接收器的光程和发射器到散射接收器的光程相等。
进一步，所述发射器与散射接收器间的散射角为20°-50°。
进一步，所述发射器与散射接收器间的散射角优选为35°。
本发明的前向散射与透射结合的能见度测量方法，包括以下步骤：1)控制发射器向透射接收器和散射接收器发射光信号；2)透射接收器和散射接收器分别将接收到的光信号转换为电信号；3)控制器接收透射接收器和散射接收器发来的电信号，并根据两电信号计算得到能见度。
进一步，计算能见度首先需要根据透射接收器和散射接收器发来的电信号计算大气消光系数，大气消光系数的测量方程为：
其中，σ：消光系数；i：i取1表示散射接收器，i取2表示透射接收器；Sri：接收器i的光电转换器的光谱灵敏度，单位：A/W；Tri：接收器i的光学透过率；Ari：接收器i的有效接收口径，单位：cm2；Roi：接收器i的负载电阻；Agi：接收器i的放大电路的增益，α为光束的发散角，θ为散射角。
本发明的前向散射与透射结合的能见度测量仪及其测量方法，通过散射信号与透射信号对比测量得到大气消光系数，从而测得大气能见度。在前向散射测量的基础上增加一路透射光的测量，以透射测值作为参考对能见度进行修正，以减小环境灰尘对镜头的污染和发光管老化引起的功率下降等因素对仪器测量结果的影响。提高仪器的测量精度延长镜头的清理周期。
附图说明
图1为本发明能见度测量仪的结构示意图；
图2为本发明能见度测量仪的测量光路原理图；
图3为本发明能见度测量方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的前向散射与透射结合的能见度测量仪，包括发射器1、透射接收器2、散射接收器3和控制器4，发射器1用于向透射接收器2和散射接收器3发射光信号；透射接收器2用于接收来自发射器1的光信号，并将该光信号转换为电信号；散射接收器3用于接收来自发射器1的光信号，并将该光信号转换为电信号；控制器4用于接收来自透射接收器2和散射接收器3的电信号，并根据两电信号计算得到能见度。
如图2所示，发射器1、透射接收器2和散射接收器3的光轴在同一个水平面上，透射接收器2设置在发射器1的正对面；散射接收器3设置在发射器1的侧对面，并与发射器1呈一散射角；发射器1与透射接收器2和散射接收器3的光程相等均为1.2米。发射器1与散射接收器3间的散射角为20°-50°，为了更好的接受散射光，发射器1和散射接收器3优选呈35°夹角，其采样容量是大约200cm3(0.2公升)。
如图3所示，发射器1、透射接收器2和散射接收器3均采用与现有能见度测量仪中相应部件相同的结构。发射器1采用波长为850nm的红外发光管(LED)为光源，光信号在前向散射方向比较微弱，为了能够在较大的噪声背景下提取出前向散射信号，用3.6KHZ的方波对发射光源进行调制，并为散射接收器3的锁相放大电路提供参考信号。接收器包括包括光学***，光电探测器，放大电路，滤波电路，锁相放大电路，其功能是实现对光信号的准确提取与精确测量，散射接收器3与透射接收器2设计成电路结构相同但参数不同。能见度仪工作时由光电转换器将接收到的光能变换处理成电信号，经过放大滤波等模拟处理后，输出至控制器4。控制器4中包括AT89S8285微处理器，除了数据接收和内部控制外，还负责其串口RS-232的通信，同时监控发射器和接收器的供电情况以及控制发射器中加热器的通断。散射接收器3接收经前向散射得到的散射光，光信号经滤光片滤除杂散光后，由光电转换电路转换为电信号，经前置放大、带通滤波以及相敏检波等模拟处理后，再由模-数转换电路转换后送入微处理器；同理，透射信号经光电转换后再经放大滤波等处理，由模数转换电路转换后送入微处理器，透射信号作为参考信号与前向散射信号比较测量，进行数值计算。控制器4的核心功能是对能见度信号进行有效地运算，能见度需要实时准确地测量，单片机控制每分钟测一次数据然后通过RS232串口发送一次，其中每100ms采样一次，存于数组，由于外界的干扰等因素的影响，对数据排序后去掉最大、最小值取平均，此平均值计算出的结果作为此时的能见度值。每分钟测一次能见度值，然后发送一次数据。
本发明中能见度的计算是通过以下公式推导得出的：
透射接收器2的电压输出：
V 2 o = S r 2 R o 2 A g 2 T e T r 2 A r 2 l 2 * P 0 Ω t * exp ( - σ * l )
散射接收器3的电压输出：
易得，能见度仪大气消光系数的测量方程：
σ = C * V 1 o V 2 o
其中，P0：发射器的发射功率，单位：W；
Te：发射器的光学透过率；
i：i取1表示散射接收器，i取2表示透射接收器；
Tri：接收器i的光学透过率；
Ari：接收器i的有效接收口径，单位：cm2；
Sri：接收器i的光电转换器的光谱灵敏度，单位：A/W；
Roi：接收器i的负载电阻，单位Ω；
Agi：接收器i的放大电路的增益；
σ：消光系数。
上式中只有散射接收器和透射接收器的光学透过率是不确定量。但是，我们选择参数完全相同的两个接收透镜，在各项同性假设下安装在相同环境下的两个镜片的光学透过率可以认为一致，所以其比值为1，通过以上公式分析可知：双光路测量消光系数σ的计算只与***的固有参数有关，与发射端P0无关，故其测量结果不受发光管老化的影响。相同环境下三个镜头污染情况相似，两者相比降低了镜头污染对测量结果的影响，延长清理周期。
需要指出的是上述实施例只是示例性的对本发明加以说明，根据本发明的精神所做出的任意变形，均不应认为脱离本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种前向散射与透射结合的能见度测量仪，其特征在于，包括发射器、透射接收器、散射接收器和控制器，发射器用于向透射接收器和散射接收器发射光信号；透射接收器用于将接收到的光信号转换为电信号；散射接收器用于将接收到的光信号转换为电信号；控制器用于接收所述透射接收器和散射接收器发来的电信号，并根据两电信号计算得到能见度；通过散射信号与透射信号对比测量得到大气消光系数，在前向散射测量的基础上增加一路透射光的测量，以透射测值作为参考对能见度进行修正；发射器采用红外发光管为光源，用3.6KHZ的方波对发射光源进行调制，并为散射接收器的锁相放大电路提供参考信号。 
2.如权利要求1所述的前向散射与透射结合的能见度测量仪，其特征在于，所述发射器、透射接收器和散射接收器的光轴在同一个水平面上，透射接收器设置在发射器的正对面；散射接收器设置在发射器的侧对面，并与发射器呈一散射角；发射器与透射接收器的光程，发射器与散射接收器的光程相等。 
3.如权利要求2所述的前向散射与透射结合的能见度测量仪，其特征在于，所述发射器与散射接收器间的散射角为20°-50°。 
4.如权利要求3所述的前向散射与透射结合的能见度测量仪，其特征在于，所述发射器与散射接收器间的散射角优选为35°。 
5.一种如权利要求1-4任一项所述的能见度测量仪的能见度测量方法，包括以下步骤：1)控制发射器向透射接收器和散射接收器发射光信号；2)透射接收器和散射接收器分别将接收到的光信号转换为电信号；3)控制器接收透射接收器和散射接收器发来的电信号，并根据两电信号计算得到能见度；通过散射信号与透射信号对比测量得到大气消光系数，在前向散射测量的基础上增加一路透射光的测量，以透射测值作为参考对能见度进行修正，发射器采用红外发光管为光源，用3.6KHZ的方波对发射光源进行调制，并为散射接收器的锁相放大电路提供参考信号。 
6.如权利要求5所述的能见度测量方法，其特征在于，计算能见度首先需要根据透射接收器和散射接收器发来的电信号计算大气消光系数，大气消光系数的测量方程为： 
其中，σ：消光系数；i：i取1表示散射接收器，i取2表示透射接收器；Sri：接收器i的光电转换器的光谱灵敏度，单位：A/W；Tri：接收器i的光学透过率；Ari：接收器i的有效接收口径，单位：cm2；Roi：接收器i的前置放大器的反馈电阻；Agi：接收器i的放大电路的增益；V1o：散射接收器电压输出；V2o：透射接收器电压输出；a：光轴交点O点到发射器的距离；l：透射接收器与发射器的距离；Ω：接收器的视场角，是发射光束在水平面平面张角的一半；为常数，即散射θ方向散射系数和总散射系数成比例；θ：散射角；αs：光束发散角。 
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