專利名稱：一種大氣能見度測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大氣能見度測量系統(tǒng)，屬于氣象要素監(jiān)測技術(shù)、交通安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大氣能見度是氣象觀測中的常規(guī)項(xiàng)目，它是表征大氣透明程度的一個(gè)物理量，代表著大氣光學(xué)物理狀態(tài)，與天氣的變化緊密相關(guān)。近年來，連續(xù)的氣象觀測表明，由于空氣環(huán)境污染程度加重，城市局部的霧霾常常導(dǎo)致較低的能見度，對公共交通、居民的健康構(gòu)成極大的威脅，能見度也成為衡量大氣中污染物的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，能見度的實(shí)時(shí)測量、發(fā)布對氣象、大氣環(huán)境、交通安全方面有具有重要的實(shí)際意義。在我國，目前多數(shù)氣象觀測站的大氣能見度觀測仍然以人工目測為主，難以實(shí)現(xiàn)能見度觀測的標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)時(shí)性。
近年來，隨著能見度測量技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種原理的測量方法，包括激光雷達(dá)后相散射法、透射式測量法、前向散射法等一系列測量方法。盡管各類儀器的具體結(jié)構(gòu)、測量方法不同，但測量的基本原理卻是一致的，測出大氣消光系數(shù)或大氣透過率，即可按能見度計(jì)算公式算出能見度值。目前，常見的能見度測量儀器主要有兩種透射式和前向散射式。透射式能見度儀是一種通過直接測量大氣消光系數(shù)得到能見度值的測量儀器，其原理在一端采用主動(dòng)光源發(fā)射，在另一接收端測量光強(qiáng)度的變化，根據(jù)兩端之間的距離L (基線長度)，計(jì)算出能見度值。透射法是一種非常精確的測量方法，但是在高能見度測量精度上，受到基線長度的限制。通過測量理論計(jì)算，在80米長度的基線下，如果能見度為10公里的情況下，要求能見度測量值的誤差在10%以內(nèi)，透過率的測量精度必須達(dá)到3%。以內(nèi)，這對在長期在外場運(yùn)行的測量系統(tǒng)而言精度要求過高，實(shí)現(xiàn)的成本過高。同時(shí)，測量基線也不能過長，這是因?yàn)樵谳^低能見度條件下，透過率過低，探測器只能接收到極其微弱光源的信號(hào)，甚至可能接收不到光源信號(hào)，也會(huì)影響到測量效果。所以說，透射法是一種非常精確的測量方法，但是受到基線的限制，只適合在8000米以內(nèi)的量程內(nèi)進(jìn)行測量。散射式能見度是利用米散射原理，測量一個(gè)小體積空氣對光的前向散射強(qiáng)度，推算出總散射系數(shù)，得到總消光系數(shù)，從而反演出能見度值。一般選用30-45°的角度做為前向散射測量角度，因?yàn)樵谶@個(gè)角度范圍上的散射相函數(shù)對不同粒徑氣溶膠的不具有敏感性。散射法能見度測量方法測量范圍寬(上限能達(dá)到50km以上)、不需要安裝長基線，可以在各種地理?xiàng)l件下使用，而且結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單、易于維護(hù)。但是散射法也有以下的缺點(diǎn)1)當(dāng)遇到雨雪天氣時(shí)，由于降水粒子的干擾，其測量數(shù)據(jù)可信度將下降。為了彌補(bǔ)雨雪天氣時(shí)的氣象學(xué)誤差，很多散射法測量儀中增加了其它傳感器用以探測降水的類型和強(qiáng)度。即便如此，測量誤差仍舊不能夠被完全補(bǔ)償。2)低能見度的情況下，常常出現(xiàn)不均勻的大氣環(huán)境，由于被測的空氣介質(zhì)體積很小，測量缺少整個(gè)地區(qū)能見度值的代表性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種全量程的大氣能見度探測系統(tǒng)，集成現(xiàn)有測量方法的優(yōu)點(diǎn)，通過單光源、雙基線的測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)透射、散射信號(hào)同時(shí)測量，在不同的量程上采用不同的測量方法，得到最準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。本發(fā)明技術(shù)解決方案一種大氣能見度測量系統(tǒng)，包括光源發(fā)射端、透射信號(hào)接收端、散射信號(hào)接收端、角反射鏡、信號(hào)調(diào)理單元、DSP數(shù)字信號(hào)處理單元；透射信號(hào)接收端放置在光源發(fā)射端旁，與光源發(fā)射端平行，接收對面角反射鏡反射回來的光信號(hào)；散射光信號(hào)接受端放置在光源發(fā)射端側(cè)前方，方向與光源光束水平呈45° ,接收光源發(fā)射光45°方向上的散射光信號(hào)；光源發(fā)射端前40米處安裝角發(fā)射鏡，反射光源發(fā)射端發(fā)出的光束；在DSP數(shù)字信號(hào)處理單元的控制下，通過控制通道選擇模塊，選擇光信號(hào)測量通道，測量信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，調(diào)理后的測量信號(hào)輸入至DSP數(shù)字信號(hào)處理單元；DSP數(shù) 字信號(hào)處理單元選擇測量方式，對測量信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，測量能見度值；所述光源發(fā)射端采用二級(jí)管激光器作為光源，其光源波長在785nm波段上；所述光源發(fā)射端還包括光源調(diào)制電路，由DSP數(shù)字信號(hào)處理單元控制光源調(diào)制電路產(chǎn)生2. 4k的方波信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)對光源進(jìn)行調(diào)制，克服測量過程中外界雜散光的影響；同時(shí)采用APC控制電路，穩(wěn)定光源輸出功率；在光源發(fā)射端，所述光源通過凸透鏡準(zhǔn)直后形成一條光束，照射到對面的角反射鏡上，形成一束與原來光束平行、方向相反的反射光束；所示的角發(fā)射鏡，是由三面垂直放置的全反鏡組成，三個(gè)鏡面相互90°垂直，使反射光與入射光平行、方向相反；所示的角發(fā)射鏡，在本發(fā)明中與光源發(fā)射端距離為40米；光源發(fā)射端發(fā)射的光束被角反射鏡反射后，先經(jīng)過透射接收端的凸透鏡匯后再聚到探測器表面，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化；散射光信號(hào)接受端放置在光源發(fā)射端側(cè)前方，方向與光源光束水平呈45°，測量光源發(fā)射光在45°方向上的前向散射光，散射光先經(jīng)過散射接收端的凸透鏡匯后再聚到探測器表面，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化；在上述散射信號(hào)接收端、透射信號(hào)接收端的探測器前安裝濾光片，過濾不在光源波段上的雜散光；所述探測器采用硅PIN光電探測器；所述信號(hào)調(diào)理單元包括前置放大器、通道選擇器、相敏檢波器、帶通濾波器、二級(jí)放大器；探測器將探測到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過前置放大器放大后，在DSP數(shù)字處理單元的控制下，通過控制通道選擇器，選擇相應(yīng)的光測量信號(hào)進(jìn)入相敏檢波器進(jìn)行相敏檢波，完成測量信號(hào)的解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)通過帶通濾波器濾波、二級(jí)放大器放大后輸入DSP數(shù)字信號(hào)處理單元中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化，計(jì)算能見度值。通過DSP數(shù)字信號(hào)處理單元選擇測量方式，測量能見度值，具體測量方法如下( I)先選通透射測量信號(hào)通道，透射光信號(hào)經(jīng)過調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換化后，得到透射光強(qiáng)
權(quán)利要求
1.一種大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于包括光源發(fā)射端、透射信號(hào)接收端、散射信號(hào)接收端、角反射鏡、信號(hào)調(diào)理單元和DSP數(shù)字信號(hào)處理單元；角發(fā)射鏡是由三面垂直放置的全反鏡組成，三個(gè)鏡面相互90°垂直，使反射光與入射光平行、方向相反；角發(fā)射鏡安裝光源發(fā)射端對面，反射光源發(fā)射端發(fā)出的光束；角發(fā)射鏡與光源發(fā)射端距離為40米，經(jīng)過反射鏡的反射后，系統(tǒng)的測量基線長度為80米；透射信號(hào)接收端放置在光源發(fā)射端旁，與光源發(fā)射端平行，接收對面角反射鏡反射回來的光信號(hào)，進(jìn)行透射光測量；散射光信號(hào)接收端放置在光源發(fā)射端側(cè)前方，方向與光源光束水平呈45° ,接收光源發(fā)射光45°方向上的前向散射光信號(hào)，進(jìn)行散射光測量；信號(hào)調(diào)理單元由前置放大器、通道選擇器、相敏檢波器、帶通濾波器、二級(jí)放大器組成；探測器將探測到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過前置放大器放大后，在DSP數(shù)字處理單元的控制下，通過控制通道選擇器，選擇相應(yīng)的光測量信號(hào)進(jìn)入相敏檢波器進(jìn)行相敏檢波，完成測量信號(hào)的解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)通過帶通濾波器濾波、二級(jí)放大器放大后輸入DSP數(shù)字信號(hào)處理單元中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化，計(jì)算能見度值；DSP數(shù)字信號(hào)處理單元控制選擇測量通道，處理經(jīng)過調(diào)理后的測量信號(hào)，對測量信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并選擇測量方式，測量能見度值，具體測量步驟如下 DSP數(shù)字信號(hào)處理單元先選通透射測量信號(hào)通道，透射光信號(hào)經(jīng)過調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換化后， ,,.人n(0.05)得到透射光強(qiáng)度為I，計(jì)算能見度值，計(jì)算公式MOR = /~"(7 z7 ;,其中，MOR是能見度值，Itl是初始光強(qiáng)，是光源沒有經(jīng)過大氣衰減前的光強(qiáng)度；Ιο的計(jì)算是在設(shè)備安裝前，將光源對面的角發(fā)射鏡移動(dòng)在至光源前，避開大氣消光影響測量出的光強(qiáng)值，并記錄在系統(tǒng)內(nèi)存中；當(dāng)計(jì)算出的透射能見度值小于8000米，透射能見度MOR的值誤差較小，系統(tǒng)輸出當(dāng)前透射能見度值；當(dāng)計(jì)算出MOR的值大于8000米，透射能見度的誤差值較大，用散射信號(hào)的計(jì)算能見度值作為當(dāng)前能見度值，DSP數(shù)字處理單元控制選擇選通器，選通散射光測量通道，對散射光信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化，并計(jì)算散射MORs,計(jì)算公式MiMs. = +，其中，κ是儀器 s的系統(tǒng)常數(shù)，通過與人工觀測值多次定標(biāo)得到的常數(shù)，Is是測量散射光信號(hào)的強(qiáng)度，系統(tǒng)輸出MORs作為當(dāng)前能見度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于所述光源發(fā)射端采用二級(jí)管激光器作為光源，其光源波長在785nm波段上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于所述光源發(fā)射端還包括光源調(diào)制電路，由DSP數(shù)字信號(hào)處理單元控制光源調(diào)制電路產(chǎn)生2. 4k的方波信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)對光源進(jìn)行調(diào)制，克服測量過程中外界雜散光的影響；同時(shí)采用APC控制電路，穩(wěn)定光源輸出功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于在光源發(fā)射端，光源通過凸透鏡準(zhǔn)直后形成一條光束，照射到對面的角反射鏡上，形成一束與原來光束平行、方向相反的反射光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于所述光源發(fā)射端發(fā)射的光束被角反射鏡反射后，先經(jīng)過透射接收端的凸透鏡匯后再聚到探測器表面，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于所述光源發(fā)射端發(fā)射的光束經(jīng)過大氣粒子散射，在45°前向散射方向上，經(jīng)過散射接收端的凸透鏡匯后再聚到探測器表面，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于在上述散射信號(hào)接收端、透射信號(hào)接收端的探測器前安裝濾光片，過濾不在光源波段上的雜散光。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述大氣能見度測量系統(tǒng)，其特征在于所述探測器采用硅PIN光電探測器。
全文摘要
一種大氣能見度測量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)全量程上大氣能見度的精確測量。該系統(tǒng)采用了單光源和雙基線測量結(jié)構(gòu)，將光源發(fā)射端和兩個(gè)信號(hào)接收端集成為一個(gè)整體，降低了光路調(diào)試、測量電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，減小了場地安裝的要求，增加系統(tǒng)的實(shí)用性，降低了設(shè)備成本。同時(shí)，激光光源經(jīng)過高頻調(diào)制，并在探測器前端安裝了濾光片，提高了系統(tǒng)抗背景光、雜散光影響的能力。在信號(hào)采樣部分采用了同步檢波弱信號(hào)檢測技術(shù)，提高了系統(tǒng)的測量精度和測量量程。本發(fā)明的大氣能見度測量系統(tǒng)，可應(yīng)用于氣象觀測站、機(jī)場、高速公路、港口、大氣環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)使用。
文檔編號(hào)G01N21/59GK102879359SQ201210364718
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者程寅, 劉文清, 劉建國, 陸亦懷, 桂華僑, 王亞平, 陳軍 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院