專利名稱：霧區(qū)能見度檢測設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種環(huán)境信息監(jiān)測設(shè)備，具體涉及一種用于霧區(qū)能見度檢測的設(shè) 備。
背景技術(shù)：
霧是由于大氣中的水分達(dá)到飽和狀態(tài)，凝結(jié)成小晶滴，漂浮于地面附近的一種天 氣現(xiàn)象。霧天的影響可以用能見度與視距關(guān)系來表示。能見度是指即目標(biāo)物的能見距離， 是指觀測目標(biāo)物時(shí)，能從背景上分辨出目標(biāo)物輪廓的最大距離，它是物體與背景的對比度 函數(shù)。當(dāng)空氣中充滿了微小水顆粒時(shí)，會(huì)對光進(jìn)行散射，從而嚴(yán)重影響視距清晰度，造成能 見度降低。能見度的降低對人類交通活動(dòng)影響非常大。由于霧將使環(huán)境能見度大范圍降低， 這對如輪渡、民航、高速公路等交通運(yùn)輸和電力供應(yīng)、市民的日常生活都會(huì)產(chǎn)生許多不利的 影響，產(chǎn)生重大的安全隱患。霧天對交通安全影響尤為嚴(yán)重，處于霧區(qū)的司機(jī)很難看清前車，存在視覺盲區(qū)；看 不清周邊路況，沒有車輛或建筑作參照物，導(dǎo)致司機(jī)感覺不到車速；司機(jī)眼睛對顏色分辨能 力下降，無法看清信號燈及提示牌；無法掌控距離，使司機(jī)在路口提前或過晚轉(zhuǎn)彎等。上述 情況直接導(dǎo)致了交通事故的產(chǎn)生，在高速公路的交通事故中，由于濃霧等惡劣天氣影響造 成的交通事故約占總數(shù)的1/4以上，給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失。目前，我國高速公路發(fā)展迅速，但我國的霧區(qū)檢測系統(tǒng)研究才剛剛起步，雖然已經(jīng) 開展了霧檢測、預(yù)報(bào)、霧區(qū)交通安全與監(jiān)控系統(tǒng)、霧天道路交通管理等方面的研究，并建立 了比較好的氣候監(jiān)控設(shè)備站，但尚未形成低成本實(shí)時(shí)對高速公路霧區(qū)進(jìn)行檢測系統(tǒng)以及理 論和方法，因此，我國高速公路與高等級公路霧天通行管理還是采用人工霧情檢測、人工疏 導(dǎo)等全人工或半人工化的管理技術(shù)與措施，規(guī)范性、客觀性相對較差。直接封閉等人工管理方法雖然防止了交通事故的發(fā)生，卻以犧牲高速公路的通行 能力為代價(jià)，同時(shí)給高速公路業(yè)主造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，不利于構(gòu)建和諧交通環(huán)境。測量大氣能見度的方法分為人工目測和監(jiān)測儀測量，能見度監(jiān)測儀測量方式主要 有透射型、散射型和激光雷達(dá)測量儀。但該類方式存在以下問題大氣透射儀是通過光束透過兩固定點(diǎn)之間的大氣柱直接測量氣柱透射率，以此來 推算能見度的值，這種方法要求光束通過足夠長的大氣柱，測量的可靠性受光源及其他硬 件系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的影響，一般只適用于中等以下能見度的觀測，而在雨、霧等低能見度天 氣，會(huì)因水汽吸收等復(fù)雜條件造成較大誤差。激光雷達(dá)測量儀系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。散射型是目前常用的測量霧能見度的方式。常用的能見度儀產(chǎn)品大都進(jìn)口，如芬 蘭VAISALAD公司型號為FD12的能見度儀，它由光發(fā)射器、光接收器和控制器組成，能見度 探測范圍是10-50000米。近年國內(nèi)也有相關(guān)產(chǎn)品銷售，但外形和實(shí)現(xiàn)方法與國外產(chǎn)品大體 一致。這類產(chǎn)品存在以下不足儀器分為發(fā)射與接收兩部分，體積上較大、安裝不便；儀器價(jià)格昂貴，限制了推廣使用；維護(hù)成本高。就我國目前情況而言，上述能見度監(jiān)測儀需依靠進(jìn)口，這種儀器成本昂貴、維護(hù)費(fèi) 用高、操作復(fù)雜，限制了應(yīng)用范圍，一般一個(gè)大區(qū)域內(nèi)只裝1-2套儀器，給我國高速公路的 實(shí)際使用帶來諸多的問題。例如一段公路范圍內(nèi)只有一個(gè)檢測點(diǎn)，一般安置在收費(fèi)口，但由 于霧的形成與變化的無規(guī)則性，使得安裝點(diǎn)的霧探測器如同虛設(shè)，可能會(huì)出現(xiàn)探測點(diǎn)有霧 而幾公里外卻無霧；或者出現(xiàn)探測點(diǎn)沒有霧，而幾公里外卻大霧彌漫的狀況。這將帶來車輛 的通行率與安全性的矛盾，也是多年來困擾高速公路管理與安全的一大難題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，主要解決了現(xiàn)有霧區(qū)能見度檢測設(shè)備 檢測精度低、成本高、操作復(fù)雜的問題。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下該霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，包括探測光源和殼體，探測光源設(shè)置于殼體一端，殼體上 至少設(shè)置有3個(gè)光電探測器，殼體上設(shè)置有至少3個(gè)進(jìn)霧孔；光電探測器連接有控制整個(gè)系 統(tǒng)工作的控制單元，控制單元與信號傳輸系統(tǒng)連接；信號傳輸系統(tǒng)將光電探測器輸出的光 信號量值傳輸至處理系統(tǒng)。以上所述殼體內(nèi)設(shè)置有用于測量環(huán)境溫度、濕度的傳感參考信號測試單元；傳感 參考信號測試單元一端與控制單元連接，另一端與光電探測器連接。以上所述的進(jìn)霧孔可以是螺旋排列的圓形或孔多邊形孔。以上所述光電探測器是光電池或光電二極管。以上所述探測光源是LED或半導(dǎo)體激光器；所述激光器的重復(fù)頻率為 0. 5Hz-10Hz，工作波長為530nm、630nm、650nm、808nm或850nm ；所述激光器的輸出功率至少 為 10mW。以上所述信號傳輸系統(tǒng)是無線通訊系統(tǒng)；所述無線通訊系統(tǒng)是GPRS或GPS。以上所述探測光源輸上設(shè)置有對發(fā)射出的探測光進(jìn)行發(fā)散或擴(kuò)束處理的光處理
直ο以上所述霧區(qū)能見度檢測設(shè)備由太陽能電池板供電。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1、本實(shí)用新型可使一些交通領(lǐng)域中大霧的測量預(yù)報(bào)擺脫依靠肉眼判斷的局面，為 交通指揮保障部門提供精準(zhǔn)的能見度信息。2、本實(shí)用新型成本低，擴(kuò)大了使用范圍，適于產(chǎn)品推廣。3、本實(shí)用新型使用LED或半導(dǎo)體激光器作為光源，既節(jié)省成本又可減小環(huán)境雜光 干擾。4、本實(shí)用新型使用發(fā)散或擴(kuò)束的激光工作方式，可提高散射接收分辨率。5、本實(shí)用新型使用前向與后向散射結(jié)合探測方案，能夠?qū)⒔邮张c發(fā)射集成為一 體。6、本實(shí)用新型功耗低，使用太陽能供電，具有供電方便、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，不用專門建 立供電系統(tǒng)，能夠適合偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。7、本實(shí)用新型使用無線通信系統(tǒng)，既具有信號傳輸功能，由具備定位和防盜功
4能；8、本實(shí)用新型可24小時(shí)工作、使用靈活方便。9、本實(shí)用新型自動(dòng)化程度高，并集多種功能于一體，提高使用價(jià)值。

圖1為光電式霧區(qū)能見度檢測儀結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型結(jié)合霧的光學(xué)特征，采用基于霧氣對激光具有散射效應(yīng)的原理得到。 以下結(jié)合圖1對本實(shí)用新型進(jìn)行詳述。如圖1所示，探測光源1設(shè)置于殼體2 —端，探測光源1發(fā)出激光作為談測光，出 于節(jié)能需要，激光采用非連續(xù)輸出，激光輸出時(shí)間和重復(fù)頻率可通過控制單元控制。激光 可每隔一段時(shí)間發(fā)射一次，間隔時(shí)間可通過控制單元4設(shè)定。探測光源1工作重復(fù)頻率從 0. 5Hz-10Hz，工作波長根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求可選530nm、630nm、650nm、808nm、850nm等；探測 光源1的輸出功率為20mW以上。使用LED或半導(dǎo)體激光器作為探測光源1，在探測光出射后可進(jìn)行發(fā)散或擴(kuò)束處 理，可提高散射接收分辨率。白天有霧和晚上有霧時(shí)行車速度與視距關(guān)系差異不大，因此探 測結(jié)果不會(huì)由于白天和晚上能見度的差異造成較大測量誤差。使用激光作為探測光，其穩(wěn)定性決定于激光器的質(zhì)量特性，只要能遮蔽來自其它 光源的干擾，光電式霧區(qū)能見度觀測儀器在白天和夜間都可以使用。殼體2內(nèi)還設(shè)置有接收散射光的光電探測器3，光電探測器3至少為3個(gè)，且分布 在殼體2內(nèi)各個(gè)角度不同位置，光電探測器3的個(gè)數(shù)越多，測量的精度越高，光電探測器3 可以選用光電池或光電二極管。通過光電池、光電二極管等光電探測器感知散射光變化量， 探測霧的能見度?？梢酝ㄟ^多點(diǎn)探測綜合處理測量結(jié)果的方法提高測量精度。殼體2上應(yīng)設(shè)置有進(jìn)霧孔21，進(jìn)霧孔21應(yīng)盡可能均勻的分布，使得殼體2內(nèi)部的 霧與被測量霧區(qū)的霧能見度相同，進(jìn)霧孔21以螺旋排列的圓形或孔多邊形孔為佳。殼體21內(nèi)還可設(shè)置有傳感參考信號測試單元5測量環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)，用于 配合標(biāo)定霧能見度?？刂茊卧?對整個(gè)工作流程進(jìn)行自動(dòng)控制。通過信號傳輸系統(tǒng)將信號進(jìn)行無線發(fā)射的處理系統(tǒng)7。信號傳輸系統(tǒng)可采用現(xiàn)有 成熟并廣泛應(yīng)用的技術(shù)，如GPRS，GPS等，可對測量信息進(jìn)行傳輸和，同時(shí)可以起到設(shè)備定 位功能，起到防盜作用。太陽能電池板通過接收太陽能為儀器所有單元供電，輸出功率40W。采用太陽能電 池板進(jìn)行充電，環(huán)保，可移動(dòng)性能好。探測光接觸到霧中的微小水滴會(huì)發(fā)生散射，同時(shí)，探測光穿過微小水滴時(shí)也會(huì)產(chǎn) 生衰減，因此光的散射強(qiáng)度與霧能見度大小有關(guān)。當(dāng)霧能見度很高時(shí)，光幾乎完全透射，激 光散射弱，光電探測器3輸出值小；當(dāng)霧能見度低時(shí)，激光的散射效應(yīng)增強(qiáng)，光電探測器3輸 出值變大。依據(jù)散射接收到的光信號量值，可以計(jì)算標(biāo)定出霧的能見度，最終通過標(biāo)定即可 得出霧區(qū)能見度檢測設(shè)備的量化值。測量結(jié)果還可以通過傳感參考信號測試單元5對溫 度、濕度等測量結(jié)果進(jìn)行修正。傳感參考信號測試單元5 —端與控制單元4連接，另一端與
5光電探測器3連接。在實(shí)際應(yīng)用中，霧的能見度可通過測量霧空氣消光系數(shù)換算獲得。根據(jù)柯西密德 (Koschmieder)原理，對以水平天空為背景的黑體目標(biāo)物，設(shè)能見度視距Vm與霧消光系數(shù) σ之間滿足以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系
「 τ/ 3.912 f A V9Vm=———
σ ν 0-55 J式中λ為光波長，q為與能見度視距有關(guān)的系數(shù)。因此通過測量霧消光系數(shù)可以 標(biāo)定出能見度。在一定條件下，光的吸收效應(yīng)可以忽略，因而在工程應(yīng)用上，消光系數(shù)被認(rèn)為等于 散射系數(shù)。通過檢測散射強(qiáng)度求得其散射系數(shù)，進(jìn)而根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型能夠演算出大氣能 見度值。通過微計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算即可得到所需的霧能見度的變化率。該霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，可以對全路段的能見度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測?？稍诟咚俟访?隔5公里安裝一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，由于檢測的連續(xù)性，可以確保全路段霧的實(shí)時(shí)檢測，為路政、交 通管理、通行率與安全性提供準(zhǔn)確的決策依據(jù)。同時(shí)用能見度探測結(jié)果可以用于控制霧照 明燈、霧警示標(biāo)志牌的輸出。該霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，可以對霧區(qū)的高速公路及一級高等級公路區(qū)段路段的霧 情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、發(fā)出預(yù)警信號，使高速公路的管理部門及時(shí)了解前方道路的霧況信息，為 后續(xù)通過誘導(dǎo)和限制車速等控制手段保障霧天行車安全提供基礎(chǔ)。
權(quán)利要求一種霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，包括探測光源和殼體，所述探測光源設(shè)置于殼體一端，其特征在于所述殼體上至少設(shè)置有3個(gè)光電探測器，所述殼體上設(shè)置有至少3個(gè)進(jìn)霧孔；所述光電探測器連接有控制整個(gè)系統(tǒng)工作的控制單元，控制單元與信號傳輸系統(tǒng)連接；所述信號傳輸系統(tǒng)將光電探測器輸出的光信號量值傳輸至處理系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，其特征在于所述殼體內(nèi)設(shè)置有用于 測量環(huán)境溫度、濕度的傳感參考信號測試單元；所述信號測試單元一端與控制單元連接，另 一端與光電探測器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，其特征在于所述的進(jìn)霧孔是螺 旋排列的圓形或孔多邊形孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，其特征在于所述光電探測器是光電 池或光電二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，其特征在于所述探測光源是LED或 半導(dǎo)體激光器；所述激光器的重復(fù)頻率為0. 5Hz-10Hz,工作波長為530nm、630nm、650nm、 808nm或850nm ；所述激光器的輸出功率至少為10mW。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，其特征在于所述信號傳輸系統(tǒng)是無 線通訊系統(tǒng)；所述無線通訊系統(tǒng)是GPRS或GPS。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，其特征在于所述探測光源輸上設(shè)置 有對發(fā)射出的探測光進(jìn)行發(fā)散或擴(kuò)束處理的光處理裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，其特征在于所述霧區(qū)能見度檢測設(shè) 備由太陽能電池板供電。
專利摘要一種霧區(qū)能見度檢測設(shè)備，通過測量霧對光的散射強(qiáng)度，獲得消光系數(shù)，最終獲得能見度值。采用激光作為探測光源，利用光電探測器進(jìn)行接收。不同能見度的霧帶來不同的散射接收結(jié)果，當(dāng)能見度大時(shí)，光散射小光電探測器上輸出值小；當(dāng)霧能見度變小時(shí)，光電探測器接收值變大。通過對散射光接收數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，得出霧天能見度值大小。通過多點(diǎn)排布光電接收器及環(huán)境溫濕度校正，能夠有效提高測量精度。儀器中裝有無線通信模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸。該儀器使用簡便，可克服目前相關(guān)產(chǎn)品成本高的缺點(diǎn)，非常方便于霧天環(huán)境監(jiān)測。
文檔編號G01N21/49GK201666871SQ20092003419
公開日2010年12月8日 申請日期2009年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月11日
發(fā)明者劉志麟, 阮馳 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所;昆山敏通光纖傳感技術(shù)研發(fā)中心有限公司