專(zhuān)利名稱(chēng)：利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)的儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于大氣物理測(cè)量領(lǐng)域，涉及到利用白光測(cè)量大氣消光系數(shù)和氣象能見(jiàn)度的一種儀器。
背景技術(shù)：
對(duì)大氣消光系數(shù)和能見(jiàn)度的測(cè)量，也就是對(duì)大氣中懸浮的水汽物、氣溶膠粒子的吸收和散射特性的測(cè)量。由于天氣現(xiàn)象的多樣性和粒子各種成份形狀的復(fù)雜性，選用不同的波長(zhǎng)光束在測(cè)量它們當(dāng)中，傳輸吸收和散射是不一樣的，世界氣象組織為了擺脫能見(jiàn)度受主觀的和物理的因素的影響，采用了基本的氣象量，即大氣透明度?？梢钥陀^地測(cè)量，并用氣象光學(xué)視程(MOR)表示。因此詳盡探討和發(fā)展符合MOR新的測(cè)量?jī)x器是完全必要的。
目前，公知的能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x所采用的測(cè)量手段都不能完整描述氣象光學(xué)視程(MOR)甚至?xí)a(chǎn)生很大測(cè)量誤差，例如紅外光對(duì)霾的測(cè)量。在有些特定天氣，儀器測(cè)量結(jié)果往往與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)有偏差，甚至測(cè)量結(jié)果與客觀實(shí)際不相關(guān)，這里有很多原因，其中最主要原因是測(cè)量光源選擇不當(dāng)造成的。世界氣象組織定義氣象光學(xué)視程(MOR)為“色溫2700K的白熾燈的平行光束，光通量削弱為其初始值的0.05時(shí)所需通過(guò)的大氣路徑長(zhǎng)度”。在以往能見(jiàn)度測(cè)量當(dāng)中，廣泛使用的光源有鹵燈，氙燈，紅外發(fā)光管LED。鹵燈和脈沖氙燈有一些很難克服缺點(diǎn)。如光源工作頻率低，也很難調(diào)制，這樣會(huì)加重接收器防止外來(lái)太陽(yáng)光等雜散光的干擾難度；燈絲老化快；工作壽命短；光源長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，體積大不適合做精密的光源。紅外發(fā)光管LED缺點(diǎn)是波長(zhǎng)大于可見(jiàn)光譜多色光(380nm---760nm)，大于一些氣溶膠粒子的直徑，因此測(cè)得的消光系數(shù)，容易造成理論與實(shí)際沒(méi)有良好的相關(guān)性。另外相關(guān)產(chǎn)品大部分是以激光作為發(fā)射光源，由于出自對(duì)于人眼衛(wèi)生安全考慮，很少實(shí)際使用。近年來(lái)，隨著以氮化物為基礎(chǔ)的白光LED研制成功，新一代綠色環(huán)保型固體照明光源——氮化物白光LED已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。雖然也有將白光LED引入能見(jiàn)度測(cè)量的報(bào)道，但由于技術(shù)不完善，還達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)的一種儀器，該儀器測(cè)量更符合能見(jiàn)度的理論定義，測(cè)量結(jié)果接近人的視覺(jué)函數(shù)實(shí)際觀測(cè)，提高儀器測(cè)量的真實(shí)性和實(shí)用性，也提高儀器測(cè)量的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是它包括用于數(shù)據(jù)采集、處理和控制溫度的采集控制器，其特征在于還包括用于控制檢測(cè)白光LED光強(qiáng)度、光波長(zhǎng)、光色彩的并其鏡頭污染可補(bǔ)償?shù)陌l(fā)射裝置、用于分離信號(hào)與隨機(jī)誤差的動(dòng)態(tài)檢測(cè)并其鏡頭污染可補(bǔ)償?shù)慕邮昭b置及用于分析判別影響能見(jiàn)度變化天氣現(xiàn)象的降水檢測(cè)裝置。
發(fā)射裝置包括信號(hào)發(fā)生電路、白光LED控制和檢測(cè)電路、光源、準(zhǔn)直光路、溫控電路和量化補(bǔ)償檢測(cè)電路，信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生方波或偽隨機(jī)信號(hào)送給與之連接的白光LED控制和檢測(cè)電路，經(jīng)控制和檢測(cè)電路的處理成為符合要求的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)給與之連接的白光源，白光LED發(fā)出的光通過(guò)準(zhǔn)直光路送出；其中一小部分光直接被控制和檢測(cè)電路接收，形成了負(fù)反饋控制與測(cè)量白光LED溫度的溫控閉環(huán)反饋電路共同起著保持穩(wěn)波長(zhǎng)、穩(wěn)光強(qiáng)作用；一部分因鏡頭表面污染形成反射光又被量化補(bǔ)償檢測(cè)電路接收，完成鏡頭污染造成能見(jiàn)度變化補(bǔ)償因子的測(cè)量。
接收裝置包括匯聚光路、動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路、量化補(bǔ)償?shù)墓庠纯刂齐娐?、光源，被檢測(cè)的光通過(guò)匯聚光路被動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路接收，解調(diào)時(shí)經(jīng)同相積分處理形成與接收光強(qiáng)成正比的電信號(hào)，而隨機(jī)誤差檢測(cè)時(shí)，被檢測(cè)的光通過(guò)動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路，解調(diào)時(shí)經(jīng)相差積分為零，只有噪聲、漂移等隨機(jī)誤差不受相位限制可積形成誤差信號(hào)，在量化補(bǔ)償?shù)墓庠纯刂齐娐纷饔孟鹿庠炊〞r(shí)發(fā)光，鏡頭污染造成反射光又被動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路接收，進(jìn)行補(bǔ)償因子的測(cè)量。
降水檢測(cè)裝置由濕度傳感器、溫度傳感器、單片機(jī)測(cè)量控制電路與加熱電路組成，單片機(jī)測(cè)量控制電路對(duì)檢測(cè)到的降水值、大氣環(huán)境溫度值和來(lái)自采集控制器的直接數(shù)據(jù)之間雙向處理，判斷影響能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象類(lèi)型。
發(fā)射器中的光源是中心波長(zhǎng)550nm，帶寬400nm-700nm，色溫2700K，其誤差滿(mǎn)足MOR技術(shù)要求的白光LED或白光LED組光源。
本實(shí)用新型采用了白光LED作為光源，符合國(guó)際氣象組織對(duì)MOR測(cè)量規(guī)范。能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x的發(fā)射器發(fā)出的光通量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)，使發(fā)射光能量及波長(zhǎng)保持高度穩(wěn)定。接收器消除了背景噪聲，自身噪聲，漂移等隨機(jī)誤差，同時(shí)也對(duì)鏡頭污染造成光通量衰減可量化補(bǔ)償，降水檢測(cè)裝置分析判別影響能見(jiàn)度變化的天氣現(xiàn)象類(lèi)型，提高了測(cè)量精度。對(duì)于透射儀選取白光LED作光源，是白光通過(guò)大氣散射和吸收引起的平均消光系數(shù)的估算，能正確的測(cè)量出對(duì)光吸收的影響，因此測(cè)量結(jié)果與能見(jiàn)度降低的大氣條件種類(lèi)諸如霧、雨、雪、塵埃無(wú)關(guān)。散射表選取白光LED。只要散射角選取30度-50度之間，霧、雪、具有相同散射與消光系數(shù)的比率。對(duì)于大氣中懸浮的微粒(例如霾、煙)由于采用了白光，也具有較好的測(cè)量結(jié)果，對(duì)于沙塵暴等能被判別出來(lái)并且對(duì)于該天氣現(xiàn)象前散射儀的響應(yīng)已被量化，那么這個(gè)測(cè)量值是可以訂正的。


圖1是本實(shí)用新型的原理框圖；圖2是發(fā)射裝置的電路原理框圖；圖3是接收裝置的電路原理框圖；圖4是發(fā)射裝置的電路原理圖；圖5是接收裝置的電路原理圖；圖6是降水檢測(cè)裝置的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，本實(shí)用新型包括用于控制檢測(cè)白光LED的光強(qiáng)度、光波長(zhǎng)、光色彩的發(fā)射裝置、用于分離信號(hào)與隨機(jī)誤差的動(dòng)態(tài)檢測(cè)接收裝置、用于數(shù)據(jù)采集、處理和控制溫度的采集控制器，還包括用于分析判別影響能見(jiàn)度變化天氣現(xiàn)象的降水檢測(cè)裝置。
參照?qǐng)D2，發(fā)射裝置包括信號(hào)發(fā)生電路、白光LED控制和檢測(cè)電路、光源、準(zhǔn)直光路、溫控電路和量化補(bǔ)償檢測(cè)電路，信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生方波或偽隨機(jī)信號(hào)送給與之連接的白光LED控制和檢測(cè)電路，經(jīng)控制和檢測(cè)電路的處理成為符合要求的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)給與之連接的白光源，白光LED發(fā)出的光通過(guò)準(zhǔn)直光路送出；其中一小部分光直接被控制和檢測(cè)電路接收，形成了負(fù)反饋控制與測(cè)量白光LED溫度的溫控閉環(huán)反饋電路共同起著保持穩(wěn)波長(zhǎng)、穩(wěn)光強(qiáng)作用；一部分因鏡頭表面污染形成反射光又被量化補(bǔ)償檢測(cè)電路接收，完成鏡頭污染造成能見(jiàn)度變化補(bǔ)償因子的測(cè)量。
參照?qǐng)D3，接收裝置包括匯聚光路、動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路、量化補(bǔ)償?shù)墓庠纯刂齐娐?、光源，被檢測(cè)的光通過(guò)匯聚光路被動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路接收，解調(diào)時(shí)經(jīng)同相積分處理形成與接收光強(qiáng)成正比的電信號(hào)，而隨機(jī)誤差檢測(cè)時(shí)，被檢測(cè)的光通過(guò)動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路，解調(diào)時(shí)經(jīng)相差積分為零，只有噪聲、漂移等隨機(jī)誤差不受相位限制可積形成誤差信號(hào)，在量化補(bǔ)償?shù)墓庠纯刂齐娐纷饔孟鹿庠炊〞r(shí)發(fā)光，鏡頭污染造成反射光又被動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路接收，進(jìn)行補(bǔ)償因子的測(cè)量。
參照?qǐng)D4，信號(hào)發(fā)生電路由方波發(fā)生器20、移相控制器21組成；光源控制和檢測(cè)電路由干涉濾光片1、面對(duì)鏡頭的光電管2、光電轉(zhuǎn)換器3、放大器4、解調(diào)器5、低通濾波器6、數(shù)據(jù)放大器7、基準(zhǔn)源8、比較器9、調(diào)制器10、電流驅(qū)動(dòng)器11組成；光源由白光LED或白光LED組12組成；準(zhǔn)直光路由光學(xué)鏡頭36組成；溫控電路由溫度傳感器35、溫度測(cè)控器36、半導(dǎo)體制冷加熱器37組成；量化補(bǔ)償檢測(cè)電路由干涉濾光片19、光電管18、光電接受器13、放大器14、解調(diào)器15、低通濾波器16、數(shù)據(jù)放大器17組成。
白光LED 12由電流驅(qū)動(dòng)器11的輸出端控制發(fā)光強(qiáng)度與波長(zhǎng)，面對(duì)發(fā)光管的光電管2通過(guò)干涉濾光片1與光電接受器3把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。光電接受器3的輸出信號(hào)經(jīng)放大器4的放大，輸出給解調(diào)器5，在方波發(fā)生器21的控制下進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)出脈動(dòng)信號(hào)通過(guò)低通濾波器6的濾波和數(shù)據(jù)放大器7的處理成為直流信號(hào)，數(shù)據(jù)放大器7輸出端與比較器9反相端連接，比較器9同相端與基準(zhǔn)源8連接，組成反向加法器。比較器9輸出直流信號(hào)給電流驅(qū)動(dòng)器11的輸入端，電流驅(qū)動(dòng)器11的另一輸入端受調(diào)制器10的斬波控制，于是電流驅(qū)動(dòng)器11的輸出成為與發(fā)光強(qiáng)度成反比的脈沖電流信號(hào)去點(diǎn)亮白光LED12，最后使發(fā)光管發(fā)射能量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。調(diào)制器10的調(diào)制頻率受方波發(fā)生器20的輸出控制，方波發(fā)生器20的輸出同時(shí)又給移相控制器21，移相控制器21輸出信號(hào)相位是受單片系統(tǒng)40控制，移相控制器21的輸出端與接收器的同步控制器31輸入端連接。
溫度傳感器38把檢測(cè)到的白光LED的溫度送給溫度測(cè)控器36與白光LED的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較處理，然后控制半導(dǎo)體37制冷或加熱。
面對(duì)鏡頭的光電管18接受鏡頭表面污染造成的反射光，通過(guò)干涉濾光片1與光電接受器13的光電變換，光電接受器13的輸出信號(hào)送給放大器14，經(jīng)放大器14的放大輸出給解調(diào)器15，解調(diào)器15受控于方波發(fā)生器20，解調(diào)器15的輸出解調(diào)出脈動(dòng)信號(hào)送到低通濾波器16處理，經(jīng)低通濾波器16的濾波和數(shù)據(jù)放大器17的處理成為直流信號(hào)，信號(hào)通過(guò)單片系統(tǒng)40的A/D處理，鏡頭污染補(bǔ)償?shù)玫搅炕?br> 上述電路中2、18的型號(hào)為PIN管，3與13的型號(hào)為OPA327，4與14的型號(hào)為OP27，5與15的型號(hào)為4066，6與16的型號(hào)為CBB，7與17的型號(hào)為AD521，8的型號(hào)為L(zhǎng)M139，9的型號(hào)為OP07，10的型號(hào)為4011，11的型號(hào)為MAX1916，12的型號(hào)NSPW312BS，20的型號(hào)為4069，21的型號(hào)為MXD1010。
參照?qǐng)D5，動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路由干涉濾光片22、光電管23、低噪聲光電放大器24、帶通濾波器25、交流放大器26、解調(diào)器27、低通濾波器28、可變?cè)鲆娣糯笃?9、V/F變換器30組成；匯聚光路由光學(xué)鏡頭41組成；量化補(bǔ)償?shù)墓庠纯刂齐娐酚赏娇刂破?1、驅(qū)動(dòng)器33、基準(zhǔn)源34、調(diào)制器35組成；光源是由白光LED 32組成。
光電管23通過(guò)干涉濾光片22與低噪聲光電放大器24把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。低噪聲光電放大器的輸出信號(hào)經(jīng)有源帶通濾波器25濾波后，又經(jīng)交流放大器26進(jìn)一步放大，輸出給解調(diào)器27，在解調(diào)器27的控制下進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)器27的控制信號(hào)與被測(cè)信號(hào)相位關(guān)系取決于與同步控制器連接單片系統(tǒng)40的一個(gè)控制端，單片系統(tǒng)分時(shí)發(fā)出測(cè)量，零測(cè)，污染檢測(cè)等命令。解調(diào)器27解調(diào)出脈動(dòng)信號(hào)通過(guò)低通濾波器28的濾波和可變?cè)鲆娣糯笃?9數(shù)據(jù)處理成為直流信號(hào)，然后經(jīng)V/F變換器30轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，V/F變換器30的頻率信號(hào)輸出給單片系統(tǒng)40的計(jì)數(shù)器。同步控制器31的同步信號(hào)來(lái)自發(fā)射器的移相控制器21的輸出端，同步控制器31的相位取決于單片系統(tǒng)40，同步控制器31的另一個(gè)輸出端與調(diào)制器35連接，調(diào)制器35輸出的斬波控制驅(qū)動(dòng)器33的輸入基準(zhǔn)源34的電平，驅(qū)動(dòng)器33的輸出脈沖電流驅(qū)動(dòng)白光LED32，作為接受器鏡頭污染檢測(cè)用的脈沖光源。
上述電路中23為PIN管，24的型號(hào)為OP327，25的型號(hào)為OP27，26的型號(hào)為OP27，27的型號(hào)為4066，28的型號(hào)為CBB，29的型號(hào)為AD521，30的型號(hào)為AD590，31的型號(hào)為4011，32的型號(hào)為NSPW312BS，33的型號(hào)為2DS687，34的型號(hào)為L(zhǎng)M139，35的型號(hào)為3DK2。
參照?qǐng)D6，降水檢測(cè)裝置由濕度傳感器42、溫度傳感器43、單片機(jī)測(cè)量控制電路44與加熱電路組成。單片機(jī)測(cè)量控制電路44對(duì)檢測(cè)到的降水值、大氣環(huán)境溫度值和來(lái)自采集控制器40的直接數(shù)據(jù)之間可雙向處理，判斷影響能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象類(lèi)型。
上述電路中42的型號(hào)為HIH-3610，電路中43的型號(hào)為RT100，44的型號(hào)為AT69C4051。
權(quán)利要求1.一種利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)的儀器，包括用于數(shù)據(jù)采集、處理和控制溫度的采集控制器，其特征在于還包括用于控制檢測(cè)白光LED光強(qiáng)度、光波長(zhǎng)、光色彩的并其鏡頭污染可補(bǔ)償?shù)陌l(fā)射裝置、用于分離信號(hào)與隨機(jī)誤差的動(dòng)態(tài)檢測(cè)的并其鏡頭污染可補(bǔ)償?shù)慕邮昭b置及用于分析判別影響能見(jiàn)度變化天氣現(xiàn)象的降水檢測(cè)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)的儀器，其特征在于發(fā)射裝置包括信號(hào)發(fā)生電路、白光LED控制和檢測(cè)電路、光源、準(zhǔn)直光路、溫控電路和量化補(bǔ)償檢測(cè)電路，信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生方波或偽隨機(jī)信號(hào)送給與之連接的白光LED控制和檢測(cè)電路，經(jīng)控制和檢測(cè)電路的處理成為符合要求的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)給與之連接的白光源，白光LED發(fā)出的光通過(guò)準(zhǔn)直光路送出；其中一小部分光直接被控制和檢測(cè)電路接收，形成了負(fù)反饋控制與測(cè)量白光LED溫度的溫控閉環(huán)反饋電路共同起著保持穩(wěn)波長(zhǎng)、穩(wěn)光強(qiáng)作用；一部分因鏡頭表面污染形成反射光又被量化補(bǔ)償檢測(cè)電路接收，完成鏡頭污染造成能見(jiàn)度變化補(bǔ)償因子的測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)的儀器，其特征在于接收裝置包括匯聚光路、動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路、量化補(bǔ)償?shù)墓庠纯刂齐娐贰⒐庠?，被檢測(cè)的光通過(guò)匯聚光路被動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路接收，解調(diào)時(shí)經(jīng)同相積分處理形成與接收光強(qiáng)成正比的電信號(hào)，而隨機(jī)誤差檢測(cè)時(shí)，被檢測(cè)的光通過(guò)動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路，解調(diào)時(shí)經(jīng)相差積分為零，只有噪聲、漂移等隨機(jī)誤差不受相位限制可積形成誤差信號(hào)，在量化補(bǔ)償?shù)墓庠纯刂齐娐纷饔孟鹿庠炊〞r(shí)發(fā)光，鏡頭污染造成反射光又被動(dòng)態(tài)檢測(cè)電路接收，進(jìn)行補(bǔ)償因子的測(cè)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)的儀器，其特征在于降水檢測(cè)裝置由濕度傳感器、溫度傳感器、單片機(jī)測(cè)量控制電路與加熱電路組成，單片機(jī)測(cè)量控制電路對(duì)檢測(cè)到的降水值、大氣環(huán)境溫度值和來(lái)自采集控制器的直接數(shù)據(jù)之間雙向處理，判斷影響能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象類(lèi)型。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)的儀器，其特征在于降水檢測(cè)裝置由濕度傳感器、溫度傳感器、單片機(jī)測(cè)量控制電路與加熱電路組成，單片機(jī)測(cè)量控制電路對(duì)檢測(cè)到的降水值、大氣環(huán)境溫度值和來(lái)自采集控制器的直接數(shù)據(jù)之間雙向處理，判斷影響能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象類(lèi)型。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)的儀器，其特征在于發(fā)射器中的光源是中心波長(zhǎng)550nm，帶寬400nm-700nm，色溫2700K，其誤差滿(mǎn)足MOR技術(shù)要求的白光LED或白光LED組光源。
專(zhuān)利摘要一種利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)的儀器，包括用于數(shù)據(jù)采集、處理和控制溫度的采集控制器，其特征在于還包括用于控制檢測(cè)白光LED光強(qiáng)度、光波長(zhǎng)、光色彩的并其鏡頭污染可補(bǔ)償?shù)陌l(fā)射裝置、用于分離信號(hào)與隨機(jī)誤差的動(dòng)態(tài)檢測(cè)的并其鏡頭污染可補(bǔ)償?shù)慕邮昭b置及用于分析判別影響能見(jiàn)度變化天氣現(xiàn)象的降水檢測(cè)裝置。本實(shí)用新型利用白光測(cè)量能見(jiàn)度和大氣消光系數(shù)，更符合能見(jiàn)度的理論定義，測(cè)量結(jié)果接近人的視覺(jué)函數(shù)實(shí)際觀測(cè)，提高儀器測(cè)量的真實(shí)性和實(shí)用性，也提高儀器測(cè)量的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01N21/01GK2757122SQ20042001289
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者王韜, 王光里 申請(qǐng)人:王韜