CN102879359A - 一种大气能见度测量*** - Google Patents

Abstract

一种大气能见度测量***，其特点在于实现全量程上大气能见度的精确测量。该***采用了单光源和双基线测量结构，将光源发射端和两个信号接收端集成为一个整体，降低了光路调试、测量电子***设计的复杂程度，减小了场地安装的要求，增加***的实用性，降低了设备成本。同时，激光光源经过高频调制，并在探测器前端安装了滤光片，提高了***抗背景光、杂散光影响的能力。在信号采样部分采用了同步检波弱信号检测技术，提高了***的测量精度和测量量程。本发明的大气能见度测量***，可应用于气象观测站、机场、高速公路、港口、大气环境监测等行业使用。

Description

一种大气能见度测量***

技术领域

本发明涉及一种大气能见度测量***，属于气象要素监测技术、交通安全监测技术领域。

背景技术

大气能见度是气象观测中的常规项目，它是表征大气透明程度的一个物理量，代表着大气光学物理状态，与天气的变化紧密相关。近年来，连续的气象观测表明，由于空气环境污染程度加重，城市局部的雾霾常常导致较低的能见度，对公共交通、居民的健康构成极大的威胁，能见度也成为衡量大气中污染物的一项重要指标。因此，能见度的实时测量、发布对气象、大气环境、交通安全方面有具有重要的实际意义。在我国，目前多数气象观测站的大气能见度观测仍然以人工目测为主，难以实现能见度观测的标准化和实时性。

近年来，随着能见度测量技术的发展，出现了多种原理的测量方法，包括激光雷达后相散射法、透射式测量法、前向散射法等一系列测量方法。尽管各类仪器的具体结构、测量方法不同，但测量的基本原理却是一致的，测出大气消光系数或大气透过率，即可按能见度计算公式算出能见度值。目前，常见的能见度测量仪器主要有两种：透射式和前向散射式。

透射式能见度仪是一种通过直接测量大气消光系数得到能见度值的测量仪器，其原理在一端采用主动光源发射，在另一接收端测量光强度的变化，根据两端之间的距离L(基线长度)，计算出能见度值。

透射法是一种非常精确的测量方法，但是在高能见度测量精度上，受到基线长度的限制。通过测量理论计算，在80米长度的基线下，如果能见度为10公里的情况下，要求能见度测量值的误差在10%以内，透过率的测量精度必须达到3‰以内，这对在长期在外场运行的测量***而言精度要求过高，实现的成本过高。同时，测量基线也不能过长，这是因为在较低能见度条件下，透过率过低，探测器只能接收到极其微弱光源的信号，甚至可能接收不到光源信号，也会影响到测量效果。所以说，透射法是一种非常精确的测量方法，但是受到基线的限制，只适合在8000米以内的量程内进行测量。

散射式能见度是利用米散射原理，测量一个小体积空气对光的前向散射强度，推算出总散射系数，得到总消光系数，从而反演出能见度值。一般选用30-45°的角度做为前向散射测量角度，因为在这个角度范围上的散射相函数对不同粒径气溶胶的不具有敏感性。

散射法能见度测量方法测量范围宽（上限能达到50km以上）、不需要安装长基线，可以在各种地理条件下使用，而且结构紧凑、安装简单、易于维护。

但是散射法也有以下的缺点：1）当遇到雨雪天气时，由于降水粒子的干扰，其测量数据可信度将下降。为了弥补雨雪天气时的气象学误差，很多散射法测量仪中增加了其它传感器用以探测降水的类型和强度。即便如此，测量误差仍旧不能够被完全补偿。2）低能见度的情况下，常常出现不均匀的大气环境，由于被测的空气介质体积很小，测量缺少整个地区能见度值的代表性。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种全量程的大气能见度探测***，集成现有测量方法的优点，通过单光源、双基线的测量***，实现透射、散射信号同时测量，在不同的量程上采用不同的测量方法，得到最准确的测量数据。

本发明技术解决方案：一种大气能见度测量***，包括：光源发射端、透射信号接收端、散射信号接收端、角反射镜、信号调理单元、DSP数字信号处理单元；透射信号接收端放置在光源发射端旁，与光源发射端平行，接收对面角反射镜反射回来的光信号；散射光信号接受端放置在光源发射端侧前方，方向与光源光束水平呈45°，接收光源发射光45°方向上的散射光信号；光源发射端前40米处安装角发射镜，反射光源发射端发出的光束；在DSP数字信号处理单元的控制下，通过控制通道选择模块，选择光信号测量通道，测量信号进入信号调理单元进行信号调理，调理后的测量信号输入至DSP数字信号处理单元；DSP数字信号处理单元选择测量方式，对测量信号进行模数转换，测量能见度值；

所述光源发射端采用二级管激光器作为光源，其光源波长在785nm波段上；

所述光源发射端还包括光源调制电路，由DSP数字信号处理单元控制光源调制电路产生2.4k的方波信号作为调制信号对光源进行调制，克服测量过程中外界杂散光的影响；同时采用APC控制电路，稳定光源输出功率；

在光源发射端，所述光源通过凸透镜准直后形成一条光束，照射到对面的角反射镜上，形成一束与原来光束平行、方向相反的反射光束；

所示的角发射镜，是由三面垂直放置的全反镜组成，三个镜面相互90°垂直，使反射光与入射光平行、方向相反；

所示的角发射镜，在本发明中与光源发射端距离为40米；

光源发射端发射的光束被角反射镜反射后，先经过透射接收端的凸透镜汇后再聚到探测器表面，进行光电转化；

散射光信号接受端放置在光源发射端侧前方，方向与光源光束水平呈45°，测量光源发射光在45°方向上的前向散射光，散射光先经过散射接收端的凸透镜汇后再聚到探测器表面，进行光电转化；

在上述散射信号接收端、透射信号接收端的探测器前安装滤光片，过滤不在光源波段上的杂散光；

所述探测器采用硅PIN光电探测器；

所述信号调理单元包括前置放大器、通道选择器、相敏检波器、带通滤波器、二级放大器；探测器将探测到的光信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，在DSP数字处理单元的控制下，通过控制通道选择器，选择相应的光测量信号进入相敏检波器进行相敏检波，完成测量信号的解调，解调后的信号通过带通滤波器滤波、二级放大器放大后输入DSP数字信号处理单元中进行AD转化，计算能见度值。

通过DSP数字信号处理单元选择测量方式，测量能见度值，具体测量方法如下：

（1）先选通透射测量信号通道，透射光信号经过调理、AD转换化后，得到透射光强度为I，计算能见度值，计算公式：

其中，MOR是能见度值，I₀是初始光强，是光源没有经过大气衰减前的光强度。I₀的计算是在设备安装前，将光源对面的角发射镜移动在至光源前，避开大气消光影响测量出的光强值，并记录在***内存中；

（2）当计算出的透射能见度值小于8000米，透射能见度MOR的值误差较小，***输出当前透射能见度值；当计算出MOR的值大于8000米，透射能见度的误差值较大，用散射信号的计算能见度值作为当前能见度值，DSP数字处理单元控制选择选通器，选通散射光测量通道，对散射光信号进行解调，再进行AD转化，并计算MOR_s,计算公式：

其中，K是仪器的***常数，通过与人工观测值多次定标得到的常数，I_s是经过AD转化后的散射光测量信号，***输出MOR_s作为当前能见度值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明克服了现有能见度测量方法上的不足，实现在全量程上的精确测量。在低能见度量程上，采用透射测量方式，不受降水天气的干扰，提高了测量精度；而在高端能见度条件下，采用前向散射测量方式，发挥前向散射法测量上限高的优点。并且在较高能见度的情况下，不会出现降水天气和大气环境不均匀性的情况，也能避免了上述两种情况下的对散射法测量的影响，是一种能在全量程段上都能进行精确测量的能见度测量***；

（2）本发明采用角反射镜的双基线测量方法，增加了测量的基线长度，提高了透射法测量精度，同时，由于角反射镜的反射特性，避免了安装时复杂的光路调整；在结构上设计上，光源发射端和两个信号接收端可以设计成一个整体，便于简化结构和测量电路的实现；

（3）在***中，为了保证两路测量信号的一致性，采用了信号切换的单通道测量信号调理的方式，保证两路光信号测量的一致性；

（4）在***中，采用的单光源发射端的方式实现两种测量方法，***更加简洁、易于实现、可靠性更高；

（5）采用光源高频调制、探测器前端安装滤光片的设计方法，有效的避免了外界背景光的影响。

附图说明

图1为本发明测量***示意图；

图2为本发明中光源发射端结构示意图；

图3为本发明信号接收端结构示意图；

图4为本发明中角反射镜结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的大气能见度探测***是由以下部分组成：光源发射端、散射信号接收端、透射信号接收端、角反射镜、信号调理单元、DSP数字信号处理单元组成。

透射信号接收端位于光源发射端旁边，接收光源反射端发射后经过角反射镜反射回来的光信号，散射信号接收端位于光源发射端前侧方，与光源呈45°角度，接收光源发射端发出光45°方向上的前向散射光信号，角反射镜位于光源的前方，反射光源端发出光束，照射到透射信号接收端。

在光源发射端，如图2所示，光源采用785nnm的激光器作为光源3，经过透镜2准直后形成准直光束1。在光源控制电路中，输入2.4k的方波信号作为调制信号对光源进行调制，克服测量过程中外界杂散光的影响，并采用APC控制电路，稳定激光输出功率。

透射信号接收端、散射信号接收端采用相同的结构，如图3所示。入射光束4通过凸透镜5后，汇聚到探测器7的表面，由探测器7进行光电转化，并且在探测器前端放置滤光片6，使仅在光源波段上的光束能够通过，滤除了外界的杂散光，提高测量***的信噪比。

如图4所示，角反射器9可以看成由三面垂直放置的全反镜，三个面互相垂直，当有入射光线8时，光线多次反射后按原方向返回，反射光线8与入射光线10平行，方向成180°，这样的结构比面状的反射镜结构更稳定，光路更加易于调整。

角发射镜9放置在光源前端40米的距离上，经过反射镜的发射，光线经过大气的长度增加一倍，光路为2倍的40米，所以***的测量基线长度为80米。

探测器采用硅PIN光电探测器，在光源的频段上有较高的灵敏度。

信号调理单元由前置放大、通道选择、相敏检波、信号滤波、二级放大等模块组成。探测器将探测到的光信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，经过通道选择后，采用开关式相敏检波器完成信号的解调。在实际测量中，当能见度较高，无论是透射光信号还是散射光信号都是非常微弱，当能见度达到6公里以上时，测量信号和噪声的量值在一个量级上，因此，在本发明中，利用同步检测技术提高信噪比，采用开关式相敏检波器作为测量光信号的锁定放大电路的核心部件，完成信号的鉴幅鉴相，确保能提取测量光的微弱信号。解调后的信号经过带通滤波器滤波、二级放大器放大后，使其幅值适合于模数转换器的输入，送入数字处理***中。

DSP数字处理单元采用DSPTMS320F2812作为中央处理单元，选择测量方式，对测量信号进行高速AD转换，并对测量数据进行处理。当***开始进行测量后，DSP控制通道选择模块，分别对经过调理后的信号进行模数转换，将转化的数字信号存储在内存区进行处理。步骤如下：

（1）先选通透射通道，对透射端测量光信号进行解调、模数转化，得到透射光信号的强度I，通过公式

计算出当前能见度值MOR，当计算出的能见度值小于8000米时，输出测量数据，进入下一测量周期；

（2）当能见度值大于8000米时，由于***误差，此时的能见度测量值误差较大。切换通道选择模块，对透射端测量光信号进行解调、模数转化，得到散射光信号I_s，通过公式

计算当前的能见度值MOR_S，输出测量数据，进入下一测量周期。测量结果由通讯串口输出。上述数据的处理、数据输出，都在DSP数字信号处理单元中完成。

上述公式中的I₀是初始光强，是光源没有经过大气衰减前的光强度。I₀的计算是在设备安装前，将光源对面的角发射镜移动在至光源前，避开大气消光影响测量出的光强值，并记录在***内存中。公式中，K是仪器的***常数，通过与人工观测值多次定标得到的常数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大气能见度测量***，其特征在于包括：光源发射端、透射信号接收端、散射信号接收端、角反射镜、信号调理单元和DSP数字信号处理单元；角发射镜是由三面垂直放置的全反镜组成，三个镜面相互90°垂直，使反射光与入射光平行、方向相反；角发射镜安装光源发射端对面，反射光源发射端发出的光束；角发射镜与光源发射端距离为40米，经过反射镜的反射后，***的测量基线长度为80米；透射信号接收端放置在光源发射端旁，与光源发射端平行，接收对面角反射镜反射回来的光信号，进行透射光测量；散射光信号接收端放置在光源发射端侧前方，方向与光源光束水平呈45°，接收光源发射光45°方向上的前向散射光信号，进行散射光测量；信号调理单元由前置放大器、通道选择器、相敏检波器、带通滤波器、二级放大器组成；探测器将探测到的光信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，在DSP数字处理单元的控制下，通过控制通道选择器，选择相应的光测量信号进入相敏检波器进行相敏检波，完成测量信号的解调，解调后的信号通过带通滤波器滤波、二级放大器放大后输入DSP数字信号处理单元中进行AD转化，计算能见度值；DSP数字信号处理单元控制选择测量通道，处理经过调理后的测量信号，对测量信号进行模数转换，并选择测量方式，测量能见度值，具体测量步骤如下：

DSP数字信号处理单元先选通透射测量信号通道，透射光信号经过调理、AD转换化后，得到透射光强度为I，计算能见度值，计算公式：

其中，MOR是能见度值，I₀是初始光强，是光源没有经过大气衰减前的光强度；I₀的计算是在设备安装前，将光源对面的角发射镜移动在至光源前，避开大气消光影响测量出的光强值，并记录在***内存中；当计算出的透射能见度值小于8000米，透射能见度MOR的值误差较小，***输出当前透射能见度值；当计算出MOR的值大于8000米，透射能见度的误差值较大，用散射信号的计算能见度值作为当前能见度值，DSP数字处理单元控制选择选通器，选通散射光测量通道，对散射光信号进行调理，再进行AD转化，并计算散射MOR_s,计算公式

其中，K是仪器的***常数，通过与人工观测值多次定标得到的常数，I_s是测量散射光信号的强度，***输出MOR_s作为当前能见度值。

2.根据权利要求1所述大气能见度测量***，其特征在于：所述光源发射端采用二级管激光器作为光源，其光源波长在785nm波段上。

3.根据权利要求1所述大气能见度测量***，其特征在于：所述光源发射端还包括光源调制电路，由DSP数字信号处理单元控制光源调制电路产生2.4k的方波信号作为调制信号对光源进行调制，克服测量过程中外界杂散光的影响；同时采用APC控制电路，稳定光源输出功率。

4.根据权利要求1所述大气能见度测量***，其特征在于：在光源发射端，光源通过凸透镜准直后形成一条光束，照射到对面的角反射镜上，形成一束与原来光束平行、方向相反的反射光束。

5.根据权利要求1所述大气能见度测量***，其特征在于：所述光源发射端发射的光束被角反射镜反射后，先经过透射接收端的凸透镜汇后再聚到探测器表面，进行光电转化。

6.根据权利要求1所述大气能见度测量***，其特征在于：所述光源发射端发射的光束经过大气粒子散射，在45°前向散射方向上，经过散射接收端的凸透镜汇后再聚到探测器表面，进行光电转化。

7.根据权利要求1所述大气能见度测量***，其特征在于：在上述散射信号接收端、透射信号接收端的探测器前安装滤光片，过滤不在光源波段上的杂散光。

8.根据权利要求1所述大气能见度测量***，其特征在于：所述探测器采用硅PIN光电探测器。

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