小型高性能散射式能見度測量裝置及測量方法
2023-05-14 15:20:46 2
小型高性能散射式能見度測量裝置及測量方法
【專利摘要】本發明提供一種長期可靠性高、準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射部分和探測部分，發射部分包括穩光強驅動源、發射光強度監測電路、發射光纖和光纖準直器；探測部分包括接收單元、光電信號處理與採集單元和計算機控制單元，所述接收單元採用光纖接收和傳輸散射光信號，探測的散射光束設有光電信號處理與採集單元，光電信號處理與採集單元輸出的信號送入計算機控制單元，由計算機控制單元計算能見度。
【專利說明】小型高性能散射式能見度測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明設計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，屬於光輻射能量在大氣中傳播時散射係數測量裝置。
【背景技術】
[0002]大氣能見度在大氣光通信、圖象傳輸和現代交通技術中產生著重要影響。能見度測量也一直受到人們的關注，隨著現代交通網絡的發展，特別是高速公路、水運和航空業的發展，需要對大氣能見度進行實時監測，能見度的測量也愈顯重要。能見度的測量依賴於光束消光係數的測量。典型的測量方法有前向散射法和透射法兩類。在現代交通網絡中，主要應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，測量角散射係數，再按一定的大氣光學模式計算總散射係數，並根據Koschmieder定律確定能見度,散射式能見度測量誤差決定於總散射係數的測量。在現有的前向散射法裝置中，對總散射係數測量誤差的主要決定因素如下:光學模式的影響、散射探測光束髮散角的影響、背景輻射幹擾和散射輻射產生的背景幹擾及測試裝置結構熱形變的影響等。此類裝置在測量35°散射角處的散射係數時，光接收部件收集到的入射光束並非嚴格定義下的平行光束，而是分布在較大錐角內的光束，由此得到的散射係數比實際的該方向的散射係數大。由於現有散射式能見度儀的光源和光電探測器分別設置在發射頭和接收頭內，一般發射頭和接收頭內體積空間狹小，加之為防潮溼，均做成密閉，因此散熱性能極差，導致光源和光電探測器受環境溫度變化影響很大。本發明採用光纖傳輸探測光到發射頭，並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和散熱條件良好的儀器箱內。整機的抗熱性能明顯改善。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於提供一種長期可靠性高、能準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]本發明的另一目的在於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，實時監測發射光束強度，校準發射光強度漂移影響，測量結果準確。
[0005]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]一種小型高性能散射式大氣能見度測量裝置，它包括發射部分和探測部分，發射部分包括LED光源、光源驅動模塊，探測部分包括光電信號處理與採集單元和計算機控制單元，所述發射部件發出的光經耦合器送入發射光纖，發射光纖經發射頭髮出光信號被大氣散射後，傳輸給接收單元的接收頭，由接收頭接收光信號，經接收光纖傳輸後送入光電信號處理與採集單元。
[0007]所述發射部分還包括光分束片和凸透鏡，LED光源發出的光依次經光分束片、凸透鏡送入耦合器；其中光分束片的部分出射光經第一光電探測器轉換為電信號，送入計算機控制單元；另一部分出射光經第二光電探測器轉換為電信號，送入計算機控制單元。
[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置在一金屬筒座內；所述光電信號處理與採集單元設置在一屏蔽盒內。
[0009]所述金屬筒座外設有第一半導體製冷器並連接第一溫度傳感器；所述屏蔽盒設有第二半導體製冷器並連接第二溫度傳感器；所述第一、第二半導體制體冷器和第一、第二溫度傳感器分別與計算機控制單元相連。
[0010]該裝置設有控制器箱、支架橫梁、支柱和安裝基座，支柱設在安裝基座上，支架橫梁和控制器箱安裝在支柱上，該裝置控制器外設置有發射頭和接收頭，發射光纖和接收光纖一端分別與發射頭和接收頭相連，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；所述發射頭和接收頭均由光準直鏡和金屬圓筒組成。
[0012]利用上述裝置進行大氣能見度測量方法，具體步驟包括:
[0013](I)通過LED光源發射光信號，由發射光纖將光信號傳輸到發射頭，經準直後成為平行光發出，被大氣散射；
[0014](2)散射光經接收頭接收，準直後會聚到接收光纖，由接收光纖傳輸到光電信號處理與採集單元；
[0015](3)處理後數據送入計算機控制單元，計算消光係數和能見度值。
[0016]該方法還包括以下步驟，
[0017]第一光電探測器採集光分束片分出的部分光信號，經轉換計算得出LED光源發射光強，低於設定值時，驅動發射光碟機動電源增加發射光強；高於設定值時，驅動發射光碟機動電源降低發射光強，允許誤差±0.1% ;
[0018]第二光電探測器採集光分束片分出的部分光信號，經轉換計算得出LED光源發射光強，對入射光強進行糾偏。
[0019]該方法還包括以下步驟，
[0020]第一溫度傳感器採集金屬筒座外壁溫度，並與設定的溫度閾值Tl比較，高於溫度閾值Tl+0.05°C時，啟動第一半導體製冷器製冷，至溫度閾值；低於溫度閾值T1-0.05°C時，啟動第一半導體製冷器制熱，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]第二溫度傳感器採集屏蔽盒外壁溫度，並與設定的溫度閾值T2比較，高於溫度閾值T2+0.5°C時，啟動第二半導體製冷器製冷，至溫度閾值；低於溫度閾值T2-0.5°C值時，啟動第二半導體製冷器制熱，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]本發明相比現有技術具有如下優點:
[0024]1、本發明採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度漂移產生的影響。解決了長期以來困擾散射式能見度儀未能得以廣泛應用的一個重要問題。
[0025]2、本發明對探測器採取溫度控制措施，設置了第一、第二半導體製冷器，抑制了環境溫度的影響，提高了裝置的長期可靠性。
[0026]3、同時對LED發光器也米用溫度控制技術,使輸出光波長穩定,避免探測光波長不穩對測量的影響。在電路設計方面，對電路進行小型化設計，主要元器件均置於設有溫度控制的金屬筒座和屏蔽盒內，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構框圖；
[0028]圖2為實施例的發射部分總成結構示意圖；
[0029]圖3為實施例的探測部分總成結構示意圖；
[0030]圖4為本發明中央控制系統的原理框圖。
[0031]圖5為本發明光信號處理系統原理圖。
[0032]圖中:a_支柱；b_支架橫梁；c_安裝基座；1-控制器箱；2_發射光纖；3_接收光纖；4_發射頭；5_接收頭。6-凸透鏡；7_金屬圓筒；8_金屬圓筒；9_光纖準直器；10_金屬圓筒；11-光纖準直器；12-光纖連接頭；13-半導體發光器模組；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_第一半導體製冷器；20_第一溫度傳感器；21_發光器驅動電源；22_計算機控制單元；23_光電信號處理與採集單元；24-第二半導體製冷器；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_有效值轉換器；30_數據採集單元。
【具體實施方式】
[0033]如圖1、圖2、圖3所示，本發明的小型高性能散射式大氣能見度測量裝置，它包括發射部分和探測部分，探測部分包括接收頭5、光電信號處理與採集單元23和計算機控制單元22，接收頭採用光纖準直器11，接收散射光束，將光束會聚後進入接收光纖3，傳送到光電信號處理與採集單元23，輸出的信號送入計算機控制單元22處理；由計算機控制單元22計算能見度。
[0034]光電信號處理與採集單元23包括:光電探測器26、前置放大器27、帶通濾波器28、有效值轉換器29、數據採集單元30。
[0035]光電信號處理與採集單元置於屏蔽盒內，屏蔽盒設有第二溫度控制器。保證光電探測器26和屏蔽盒內各元件的電氣性能參數不隨環境溫度變化而變化。
[0036]發射部分包括半導體發光器模組13、發光器驅動電源21。半導體發光器模組13還設置有第一溫度控制器19、保證發光器發出光波長和功率不隨環境的變化而變化，並且有效抑制環境光變化對測量的影響。
[0037]半導體發光器模組13發射出的光束經光分束片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凸透鏡17準直，經耦合器凸透鏡6會聚後進入發射光纖2傳送到發射頭4。
[0038]計算機控制單元內包含有第一、第二半導體製冷器的驅動電路，以及計算機接口電路。
[0039]第二光電探測器15對發射的探測光束長期變化進行檢測，提供計算機控制單元做測量修正。
[0040]本發明的工作過程:
[0041]如圖4、圖5所示，本發明的半導體發光器13在驅動電源21的驅動下發射出頻率
1.0kHz光脈衝序列，經光分束片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。另一部分經凸透鏡17和6會聚到發射光纖2的輸入端，傳輸到發射頭內的光纖準直器9，成為近似平行探測光束，經過待測區域大氣散射後，在35°前向散射角方向，用光纖準直器11收集散射光，並通過接收光纖3傳送到光電探測器28轉換為電信號，光電探測器28輸出的光電信號依次經過前置放大器29、帶通濾波器30、和有效值轉換器31被轉換為直流電壓信號，其大小與接收單元接收到的散射光功率成正比，計算機控制單元23通過採集數據並計算光信號的平均功率,根據發射光功率,計算待測散射係數，按下面的式⑵或⑷計算能見度。
[0042]第一光電探測器14實時採樣光信號，計算機對其採樣頻率約為3000次/秒，計算機控制單元23根據第一光電探測器14檢測到的光信號，調節發光器驅動電源21穩定半導體發光器的發光強度。第二光電探測器15採樣光信號，經計算機控制單元濾波，得到直流信號，計算機對其採樣頻率約為3次/秒，根據第二光電探測器15檢測到的光信號，監測發射探測光束的長期變化，對發射光強度的漂移進行實時校正。
[0043]本發明的工作原理:
[0044]以氣象視距表示能見度，按地面觀測規範之規定，當遠處目標物-背景對比度下降為近處對比度的0.02時，所對應的距離定義為能見度，它由Koschmieder定律給出
【權利要求】
1.一種小型高性能散射式大氣能見度測量裝置，它包括發射部分和探測部分，發射部分包括LED光源、光源驅動模塊，探測部分包括光電信號處理與採集單元和計算機控制單元，其特徵是:所述發射部件發出的光經耦合器送入發射光纖，發射光纖經發射頭髮出光信號被大氣散射後，傳輸給接收單元的接收頭，由接收頭接收光信號，經接收光纖傳輸後送入光電信號處理與採集單元。
2.根據權利要求1所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特徵是:所述發射部分還包括光分束片和凸透鏡，LED光源發出的光依次經光分束片、凸透鏡送入稱合器；其中光分束片的部分出射光經第一光電探測器轉換為電信號，送入計算機控制單元；另一部分出射光經第二光電探測器轉換為電信號，送入計算機控制單元。
3.根據權利要求2所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特徵是: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置在一金屬筒座內；所述光電信號處理與採集單元設置在一屏蔽盒內。
4.根據權利要求3所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特徵是:所述金屬筒座外設有第一半導體製冷器並連接第一溫度傳感器；所述屏蔽盒設有第二半導體製冷器並連接第二溫度傳感器；所述第一、第二半導體制體冷器和第一、第二溫度傳感器分別與計算機控制單元相連。
5.根據權利要求4所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特徵是:該裝置設有控制器箱、支架橫梁、支柱和安裝基座，支柱設在安裝基座上，支架橫梁和控制器箱安裝在支柱上，該裝置控制器外設置有發射頭和接收頭，發射光纖和接收光纖一端分別與發射頭和接收頭相連，另一端分別接入控制器箱。
6.根據權利要求1所述的散射式大氣能見度測量裝置，其特徵是:所述耦合器由凸透鏡和金屬圓筒組成；所述發射頭和接收頭均由光準直鏡和金屬圓筒組成。
7.利用權利要求1所述裝置進行大氣能見度測量方法，其特徵是:具體步驟包括: (1)通過LED光源發射光信號，由發射光纖將光信號傳輸到發射頭，經準直後成為平行光發出，被大氣散射； (2)散射光經接收頭接收，準直後會聚到接收光纖，由接收光纖傳輸到光電信號處理與米集單兀； (3)處理後數據送入計算機控制單元，計算消光係數和能見度值。
8.根據權利要求7所述的大氣能見度測量方法，該方法還包括以下步驟， 第一光電探測器採集光分束片分出的部分光信號，經轉換計算得出LED光源發射光強，低於設定值時，驅動發射光碟機動電源增加發射光強；高於設定值時，驅動發射光碟機動電源降低發射光強； 第二光電探測器採集光分束片分出的部分光信號，經轉換計算得出LED光源發射光強，對入射光強進行糾偏。
9.根據權利要求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， 第一溫度傳感器採集金屬筒座外壁溫度，並與設定的溫度閾值Tl比較，高於溫度閾值Tl+0.05°C時，啟動第一半導體製冷器製冷，至溫度閾值；低於溫度閾值T1-0.05°C時，啟動第一半導體製冷器制熱，至溫度閾值。
10.根據權利要求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， 第二溫度傳感器採集屏蔽盒外壁溫度，並與設定的溫度閾值T2比較，高於溫度閾值T2+0.5°C時，啟動第二半導體製冷器製冷，至溫度閾值；低於溫度閾T2-0.5°C值時，啟動第二半導體製冷器制熱，至溫度閾值。
【文檔編號】G01N21/47GK104132915SQ201410390846
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月8日 優先權日:2014年8月8日
【發明者】肖韶輝, 孫國磐 申請人:南京格術光電技術有限公司