CN105928881A - 一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测方法及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测方法及检测装置，涉及透射式视程能见度仪的测量***和仪器结构。所述的检测装置包括一个U‑型的三面窗组件,以及置于透射式视程能见度仪的密封腔内的三路光学测量***、多通道信号放大器、模数A/D转换器、微处理器和一个镜头盖。所述检测方法依次测量光信号通过正面视窗和第一侧窗后的光信号强度I₁₂、光信号通过正面视窗和第二侧窗后的光信号强度I₁₃、光信号通过第一侧窗和第二侧窗后的光信号强度I₂₃，并预先测量标定光信号的入射光强I₀值，根据消光系数公式计算获得正面视窗的消光系数。本发明不仅可以更精确地测量正面视窗的消光系数值，并且能够增强对视窗的清洁防护效果。

Description

一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测方法及检测装置

技术领域

本发明涉及透射式视程能见度仪的测量***和仪器结构。更特别地说，是指一种适用于但不限于透射式视程能见度仪的窗镜污染消光检测方法及装置。

背景技术

能见度仪在天气现象的自动监测播报，机场、高速公路和铁路的交通安全预警等方面起着至关重要的作用，尤其是视程能见度仪是机场自动气象观测预警***，引导飞机起降不可或缺的组成部分。透射式视程能见度仪由于能广泛适用于各种气象条件，测量原理简单，尤其具有测量基准的自我标定能力，测量方法直接，因此在国内外机场获得广泛应用。这种测量方法的基本原理是：信号发射机产生并发射光信号，由相隔几十米远的信号接收机探测经大气传输后的光信号并送入仪器的数据处理器，经过对光信号的处理，计算出大气衰减所致的消光系数值，并代入已知计算模型得出视程能见度值。

然而，由于在光信号的测量中，光的衰减不仅来自于大气环境，也包括了因仪器的窗镜污染所致的光衰减，所测量的光信号是两者的混叠。因此，为了更加准确地测量出大气能见度值，必须对仪器窗镜污染导致的消光进行精确测量，从而修正能见度测量的消光系数值，同时也需要根据窗镜的消光情况设计窗镜的清洁和保护方案。目前，国内外在窗镜消光的检测方法及污染防护方面，多采用一种V-型或类V-型的双面窗结构和开放式的吹气保护装置设计，窗镜消光的检测光路横向通过双面窗，与能见度测量光束正交，两者通过窗镜的相同区域，吹气自上而下经过双面窗的外表面，以起到对窗镜的清洁和保护作用。这类窗镜检测方法及装置存在一些缺点：(1)由于窗镜检测光路横向通过双面窗，测量的结果是双面窗消光的平均值，而能见度测量光束沿轴向仅通过双面窗中的一个窗镜，因此窗镜消光的测量在光学设计上会导致一定的测量误差；(2)由于双面窗的设计是前端开放式的，虽然清洁方便，但流经窗前的保护气流发散迅速，对窗镜的防护作用有限，必须经常人工清洁窗镜。

发明内容

为克服上述基于V-型双面窗结构在窗镜消光检测和保护方面存在的不足，本发明提出了一种全新的基于U-型三面窗的窗镜消光精确检测装置和方法，该装置及方法适用于透射式视程能见度仪，但不限于该类测量仪器。

本发明首先提供一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测装置，所述的检测装置包括一个U-型的三面窗组件、三路光学测量***、多通道信号放大器、模数A/D转换器、微处理器和一个镜头盖。其中的三路光学测量***、多通道信号放大器、模数A/D转换器和微处理器放置于透射式视程能见度仪的密封腔内，因为能见度测量光束只通过U-型窗的正面视窗，因此检测目标是获取正面视窗的消光系数。在三路光学测量***中，第一路光信号通过U-型窗的正面视窗和第一侧窗，其出射光被第一光电探测器接收，测得光信号强度为I₁₂。第二路光信号通过U-型窗的正面视窗和第二侧窗，其出射光被第二光电探测器接收，测得光信号强度为I₁₃。第三路光信号通过U-型窗的第一侧窗和第二侧窗，其出射光被第三光电探测器接收，测得光信号强度为I₂₃。光信号通过正面视窗、第一侧窗和第二侧窗之前的入射光强为I₀。如果三个窗镜的厚度相同，则正面视窗的消光系数可以通过以下公式(1)求得。

${\mathrm{\σ}}_1=-\frac{1}{x}ln\left(\frac{I_{12}\·I_{13}}{I_0\·I_{23}}\right)---\left(1\right)$

其中，x是光信号通过窗镜的距离，可取窗镜片的厚度。I₁₂、I₁₃和I₂₃分别是光信号通过正面视窗和第一侧窗、正面视窗和第二侧窗、第一侧窗和第二侧窗后的光信号强度。I₀是光信号通过窗镜之前的入射光强，可以预先测量标定。

所述的透射式视程能见度仪的窗镜消光检测方法，包括如下步骤：

第一步，光信号通过正面视窗和第一侧窗后的光信号强度测量。第一光源发出的光信号穿过U-型窗的正面视窗和第一侧窗到达第一光电探测器，测得的光信号经放大输出后的强度值为I₁₂；

第二步，光信号通过正面视窗和第二侧窗后的光信号强度测量。第二光源发出的光信号穿过U-型窗的正面视窗和第二侧窗到达第二光电探测器，测得的光信号经放大输出后的强度值为I₁₃；

第三步，光信号通过第一侧窗和第二侧窗后的光信号强度测量。第三光源发出的光信号穿过U-型窗的两个侧窗到达第三光电探测器，测得的光信号经放大输出后的强度值为I₂₃；

第四步，正面视窗消光系数的计算。将上述三路光学测量***获得的光信号强度值I₁₂、I₁₃、I₂₃和预先测量标定的I₀值输入微处理器，通过公式(1)进行计算，求出正面视窗的消光系数值σ₁。其中，***对U-型窗的消光测量是在能见度测量过程完成之后启动，以避免能见度测量光信号的干扰。

本发明的透射式视程能见度仪的窗镜消光检测方法及检测装置的优点在于：

(1)使用U-型的三面窗设计和三路光学测量***，可以更精确地测量正面视窗的消光系数值；

(2)U-型的三面窗组件与前端的镜头盖一起构成一种上下气流通道，窗镜的清洁保护气流自上而下穿过该通道时，由于通道的侧面有效约束了气流的发散，因此增强了对视窗的清洁防护效果。

附图说明

图1是本发明的透射式视程能见度仪的窗镜消光检测方法及装置原理图。

图中：

1.正面视窗； 2.第一侧窗； 3.第二侧窗； 4.第一光源； 5.第一透镜；

6.第一反射镜； 7.第二透镜； 8.第一光电探测器； 9.第二光源； 10.第三透镜；

11.第二反射镜； 12.第四透镜； 13.第二光电探测器； 14.第四光源； 15.第五透镜；

16.第三反射镜； 17.第四反射镜； 18.第六透镜； 19.第三光电探测器； 20.镜头盖；

21.多通道信号放大器； 22.模数A/D转换器； 23.微处理器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测装置，所述的检测装置如图1所示，包括一个U-型三面窗组件、三路光学测量***、多通道信号放大器、模数A/D转换器、微处理器和一个镜头盖。所述的U-型三面窗组件包括正面视窗1、第一侧窗2和第二侧窗3；所述的三路光学测量***中，第一路光学测量***包括第一光源4、第一透镜5、第一反射镜6、第二透镜7和第一光电探测器8，第一光源4发出的光依次经过第一透镜5、正面视窗1和第一侧窗2，被第一反射镜6反射，通过第二透镜7后由第一光电探测器8接收。第二路光学测量***包括第二光源9、第三透镜10、第二反射镜11、第四透镜12和第二光电探测器13，第二光源9发出的光依次经过第三透镜10、正面视窗1和第二侧窗3，被第二反射镜11反射，通过第四透镜12后由第二光电探测器13接收。第三光路测量***包括第三光源14、第五透镜15、第三反射镜16、第四反射镜17、第六透镜18和第三光电探测器19，第三光源14发出的光依次经过第五透镜15、第三反射镜16、第二侧窗3和第一侧窗2，被第四反射镜17反射，通过第六透镜18后由第三光电探测器19接收。所述的检测装置还包括镜头盖20、多通道信号放大器21、模数A/D转换器22和微处理器23。其中，所述的镜头盖20中心开有一个圆形通孔，用于使能见度测量光束通过。所述的镜头盖中心开有一个圆形通孔，用于使能见度测量光束通过；镜头盖20安装于U-型三面窗组件的前端，位于能见度测量光束的入射方向一侧，与U-型三面窗组件构成一个上下气流通道，用于增强对自上而下通过的保护气流的约束、对窗镜的防尘和清洁保护。所述的三路光学测量***、多通道信号放大器、模数A/D转换器和微处理器置于能见度仪的密封腔内。

所述的正面视窗1、第一侧窗2和第二侧窗3均采用平面光学玻璃，形状可以是矩形，也可以是圆形，组成U-型的三面窗组件。正面视窗1垂直于能见度测量光束放置，其中心位于能见度测量光束的光轴上。第一侧窗2和第二侧窗3紧邻正面视窗1的两边，与正面视窗1相互垂直和等高放置，构成U-型结构。

所述的第一光源4是可见白光LED光源，第一路光学测量***用于测量正面视窗1和第一侧窗2的消光；

所述的第一透镜5用于测量光束的准直；

所述的第一反射镜6用于转折测量光束；

所述的第二透镜7用于将测量光束聚焦于第一光电探测器8；

所述的第一光电探测器8是一个硅光电探测器，用于接收测量光信号并转换为光电流输出至多通道信号放大器21；

所述的第二光源9是可见白光LED光源，第二路光学测量***用于测量正面视窗1和第二侧窗3的消光；

所述的第三透镜10用于测量光束的准直；

所述的第二反射镜11用于转折测量光束；

所述的第四透镜12用于将测量光束聚焦于第二光电探测器13；

所述的第二光电探测器13是一个硅光电探测器，用于接收测量光信号并转换为光电流输出至多通道信号放大器21；

所述的第三光源14是可见白光LED光源，第三路光学测量***用于测量第一侧窗2和第二侧窗3的消光；

所述的第五透镜15用于测量光束的准直；

所述的第三反射镜16和第四反射镜17用于转折测量光束；

所述的第六透镜18用于将测量光束聚焦于第三光电探测器19；

所述的第三光电探测器19是一个硅光电探测器，用于接收测量光信号并转换为光电流输出至多通道信号放大器21；

所述的多通道信号放大器21是一个包含三个通道的集成信号放大器，用于接收第一光电探测器8、第二光电探测器13和第三光电探测器19三路光电流信号并转换为放大的模拟电压信号输出；

所述的模数A/D转换器22用于将多通道信号放大器21输出的模拟电压信号转换为数字电压信号；

所述的微处理器23是一个嵌入式32位ARM处理器，与模数A/D转换器22相连，用于计算正面视窗1的消光系数，存储和输出数据。

基于所述的窗镜消光检测装置，本发明还提供一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测方法，包括如下步骤：

第一步，正面视窗1和第一侧窗2消光的测量。在透射式视程能见度仪完成能见度测量之后，同时启动U-型窗组件的三路消光测量***，第一光源4发出的光信号经第一透镜5准直后，通过正面视窗1和第一侧窗2，再经过第一反射镜6和第二透镜7，聚焦于第一光电探测器8。第一光电探测器8将接收的光信号转换为电信号并输出至多通道信号放大器21，多通道信号放大器21对所述电信号进行放大得到放大的模拟电压信号，放大的模拟电压信号通过模数A/D转换器22变为数字信号，并输出至微处理器23，记为光信号强度I₁₂；

第二步，正面视窗1和第二侧窗3消光的测量。第二光源9发出的光信号经第三透镜10准直后，通过正面视窗1和第二侧窗3，再经过第二反射镜11和第四透镜12，聚焦于第二光电探测器13。第二光电探测器13将接收的光信号转换为电信号并输出至多通道信号放大器21，放大的模拟电压信号通过模数A/D转换器22变为数字信号，并输出至微处理器23，记为光信号强度I₁₃；

第三步，第一侧窗2和第二侧窗3消光的测量。第三光源14发出的光信号经第五透镜15准直和第三反射镜16后，通过第二侧窗3和第一侧窗2，再经过第四反射镜17和第六透镜18，聚焦于第三光电探测器19。第三光电探测器19将接收的光信号转换为电信号并输出至多通道信号放大器21，放大的模拟电压信号通过模数A/D转换器22变为数字信号，并输出至微处理器23，记为光信号强度I₂₃；

第四步，正面视窗1消光系数的计算。微处理器23将三路测量***输入的光信号强度值I₁₂、I₁₃、I₂₃和预先测量标定的I₀值输入公式(1)进行计算，求出正面视窗1的消光系数值σ₁，并存储和输出。

Claims (5)

1.一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测装置，其特征在于：所述检测装置包括一个U-型的三面窗组件、三路光学测量***、多通道信号放大器、模数A/D转换器、微处理器和一个镜头盖；所述的U-型三面窗组件包括正面视窗、第一侧窗和第二侧窗；所述的三路光学测量***置于透射式视程能见度仪的密封腔内，第一路光学测量***包括第一光源、第一透镜、第一反射镜、第二透镜和第一光电探测器，第一光源发出的光经过第一透镜准直后，通过正面视窗和第一侧窗，被第一反射镜反射，光束通过第二透镜会聚于第一光电探测器；第二路光学测量***包括第二光源、第三透镜、第二反射镜、第四透镜和第二光电探测器，第二光源发出的光经过第三透镜准直后，通过正面视窗和第二侧窗，被第二反射镜反射，光束通过第四透镜会聚于第二光电探测器；第三光路测量***包括第三光源、第五透镜、第三反射镜、第四反射镜、第六透镜和第三光电探测器，第三光源发出的光经过第五透镜准直后，被第三反射镜反射、通过第二侧窗和第一侧窗，然后被第四反射镜反射，光束通过第六透镜会聚于第三光电探测器；所述的多通道信号放大器是一个包含三个通道的集成信号放大器，用于接收第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器三路光电流信号并转换为放大的模拟电压信号输出；

所述的模数A/D转换器用于将多通道信号放大器输出的模拟电压信号转换为数字电压信号；

所述的微处理器是一个嵌入式32位ARM处理器，与模数A/D转换器相连，用于计算正面视窗的消光系数，存储和输出数据。

2.根据权利要求1所述的一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测装置，其特征在于：所述的正面视窗、第一侧窗和第二侧窗均采用平面光学玻璃，形状是矩形或圆形，组成U-型的三面窗组件；正面视窗垂直于能见度测量光束放置，其中心位于能见度测量光束的光轴上；第一侧窗和第二侧窗紧邻正面视窗两边，与正面视窗相互垂直和等高放置，构成U-型结构。

3.根据权利要求1所述的一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测装置，其特征在于：所述的镜头盖中心开有一个圆形通孔，用于使能见度测量光束通过；镜头盖安装于U-型三面窗组件的前端，位于能见度测量光束的入射方向一侧，与U-型三面窗组件构成一个上下气流通道。

4.根据权利要求1所述的一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测装置，其特征在于：所述的第一光源、第二光源和第三光源均采用可见白光LED光源。

5.一种透射式视程能见度仪的窗镜消光检测方法，其特征在于：在能见度测量过程完成之后进行窗镜消光检测，具体包括如下步骤，

第一步，光信号通过正面视窗和第一侧窗后的光信号强度测量；第一光源发出的光信号穿过U-型窗的正面视窗和第一侧窗到达第一光电探测器，测得的光信号经放大输出后的强度值为I₁₂；

第二步，光信号通过正面视窗和第二侧窗后的光信号强度测量；第二光源发出的光信号穿过U-型窗的正面视窗和第二侧窗到达第二光电探测器，测得的光信号经放大输出后的强度值为I₁₃；

第三步，光信号通过第一侧窗和第二侧窗后的光信号强度测量；第三光源发出的光信号穿过U-型窗的两个侧窗到达第三光电探测器，测得的光信号经放大输出后的强度值为I₂₃；

第四步，正面视窗消光系数的计算；将上述三路光学测量***获得的光信号强度值I₁₂、I₁₃、I₂₃和预先测量标定的I₀值输入微处理器，通过公式(1)进行计算，求出正面视窗的消光系数值σ₁：

${\mathrm{\σ}}_1=-\frac{1}{x}ln\left(\frac{I_{12}\·I_{13}}{I_0\·I_{23}}\right)---\left(1\right)$

其中，x是光信号通过窗镜的距离，I₀是光信号通过窗镜之前的入射光强。