專利名稱：透射式能見度測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種光輻射接收和測量裝置，特別是一種透射式大氣能見度測量裝置， 屬于光輻射能量在大氣中傳播時(shí)消光系數(shù)測量及自動跟蹤裝置。
二背景技術(shù)：
大氣能見度在大氣激光通信、圖象傳輸和現(xiàn)代交通技術(shù)中產(chǎn)生著重要影響。能見度測量 也一直受到人們的關(guān)注，隨著現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，特別是高速公路、水運(yùn)和航空業(yè)的發(fā)展， 需要對大氣能見度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能見度的測量也愈顯重要。能見度的測量依賴于光束消光 系數(shù)的測量。典型的測量方法有前向散射法和透射法兩類。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，測量角散射系數(shù)，再按一定的大氣光學(xué)模式 計(jì)算總散射系數(shù)，并根據(jù)Koschmieder定律確定能見度，此法的測量誤差決定于總散射系數(shù) 的測量。在現(xiàn)有的前向散射法裝置中，對總散射系數(shù)測量誤差的主要決定因素如下光學(xué)模 式的影響、散射探測光束發(fā)散角的影響、背景輻射干擾和散射輻射產(chǎn)生的背景干擾及測試裝 置結(jié)構(gòu)熱形變的影響等。這些裝置在測量35。散射角處的散射系數(shù)時(shí)，光接收部件收集到的 入射光束并非嚴(yán)格定義下的平行光束，而是分布在較大錐角內(nèi)的光束，由此得到的散射系數(shù) 比實(shí)際的該方向的散射系數(shù)大。透射法雖然是最為準(zhǔn)確的一種方法，但由于光束的發(fā)射和測 量相隔異處，且間隔較遠(yuǎn)，因大氣擾動或測量裝置的振動、地形變化等原因致使光斑在光電 探測器接收面上漂移，使得探測光束在傳播路徑上的衰減系數(shù)測量不準(zhǔn)，甚至導(dǎo)致測量失敗。
三、 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種長期可靠性高、能準(zhǔn)確測量能見度的透射式大氣能見度 測量裝置。
本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種透射式大氣能見度測量裝置，它包括發(fā)射部分和探測部分，探測部分包括接收單元、 光電信號處理單元，數(shù)據(jù)采集單元和計(jì)算機(jī)控制單元，所述接收單元采用四象限光電探測器， 每一象限探測的光束均設(shè)有光電信號處理單元，各光電信號處理單元輸出的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集 單元送入計(jì)算機(jī)控制單元；由計(jì)算機(jī)控制單元控制四象限探測器的中心坐標(biāo)。
四象限光電探測器設(shè)有保持其特性參數(shù)不隨環(huán)境溫度變化的半導(dǎo)體溫度控制電路。所述四象限光電探測器的安裝底座上設(shè)有X軸和Y軸平移臺，X軸和Y軸平移臺分別連 接一臺步進(jìn)電機(jī)，兩臺步進(jìn)電機(jī)分別連接計(jì)算機(jī)控制單元。
光電信號處理單元包括前置放大器、帶通濾波電路和精密有效值轉(zhuǎn)換電路。數(shù)據(jù)采集 單元采用多路同步取樣電路。四個(gè)象限的光束經(jīng)各自的光電信號處理單元處理后，再由多路 同步取樣電路送入計(jì)算機(jī)控制單元。
本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)
本實(shí)用新型采用四象限探測光束自動跟蹤技術(shù)，跟蹤探測光束和測量探測光束功率或強(qiáng) 度使用同一個(gè)探測器，保證探測器精確對準(zhǔn)探測光束，能有效抑制探測光束漂移產(chǎn)生的影響。 保證光斑在探測器接收面上的位置基本不變，解決了多年來存在的光斑漂移對能見度測量的 影響問題，能夠較為準(zhǔn)確地測量所述衰減系數(shù)。另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，對探測器采取溫度控制 措施，抑制了環(huán)境溫度的影響，提高了長期可靠性。對激光器采用溫度控制技術(shù)，使輸出激 光波長穩(wěn)定，避免探測光波長不穩(wěn)對測量的影響。
本實(shí)用新型的方法用四象限光電探測器每象限探測到的光功率之和表示透射式大氣能見 度探測光束的透射光功率，優(yōu)點(diǎn)是利用單光路同時(shí)實(shí)現(xiàn)測量和跟蹤，因而光路系統(tǒng)簡單，測 試系統(tǒng)長期可靠性高。
四

圖1為透射式能見度測量儀的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為實(shí)施例的發(fā)射部分總成結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為實(shí)施例的探測部分總成結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4本實(shí)用新型四象限光信號處理系統(tǒng)原理圖； 圖5為本實(shí)用新型四象限探測的原理框圖。
圖中a-安裝基座；b-支柱；C-發(fā)射總成；d-激光束；e-探測總成；f-支柱；g-控制器
箱；h-安裝基座。
l-激光器驅(qū)動電源；2-半導(dǎo)體激光器；3-準(zhǔn)直器；4-探測光束；5-凸透鏡；6-四象限光 電探測器；7-固定凸透鏡的金屬圓筒；8-安裝基板；9-X軸平移臺；10-X軸平移步進(jìn)電機(jī)； ll-Y軸平移臺；12-Y軸平移步進(jìn)電機(jī)；13-數(shù)據(jù)采集單元；14-步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路；15_步進(jìn)
電機(jī)驅(qū)動電路；16-計(jì)算機(jī)控制單元；17-數(shù)據(jù)傳輸接口； 18-半導(dǎo)體溫度控制電路。 21-24前置放大器；31-34帶通濾波器；41-44乘法器與兀型濾波組合。
五具體實(shí)施方式
如圖l、圖2、圖3所示，本實(shí)用新型的透射式大氣能見度測量裝置，它包括發(fā)射部分和 探測部分，探測部分包括接收單元、光電信號處理單元，數(shù)據(jù)采集單元13和計(jì)算機(jī)控制單元 16，接收單元采用四象限光電探測器6，即對會聚后的光束分四路進(jìn)行采樣，從方位上按四 個(gè)象限劃分，并將探測的光束分四路輸出，每一路輸出的光束均分別輸入各自的光電信號處
理單元，經(jīng)各光電信號處理單元輸出的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入計(jì)算機(jī)控制單元16處理；由
計(jì)算機(jī)控制單元16控制四個(gè)象限光電探測器6的中心坐標(biāo)。
光電信號處理單元包括前置放大器21、 22、 23、 24，帶通濾波電路31、 32、 33、 34 和精密乘法器與7i型濾波組合41、 42、 43、 44。數(shù)據(jù)采集單元13包括多路同步取樣電路和 A/D轉(zhuǎn)換器。
發(fā)射部分包括半導(dǎo)體激光器2、激光器驅(qū)動電源1。激光器驅(qū)動電源1設(shè)置有激光器溫度 控制電路、光功率調(diào)制電路和光功率穩(wěn)定電路，保證激光器發(fā)出光波長和功率不隨環(huán)境的變 化而變化，并且有效抑制環(huán)境光變化對測量的影響。
接收單元包括激光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、激光接收探頭。其中半導(dǎo)體激光器2與激光器驅(qū)動電源 1連接，激光束準(zhǔn)直器3由消像差光學(xué)透鏡組構(gòu)成，準(zhǔn)直器3置于激光器輸出端，經(jīng)過準(zhǔn)直 后激光束傳播一定距離到達(dá)激光接收探頭，接收探頭由一個(gè)固定凸透鏡的金屬圓筒7和一個(gè) 凸透鏡5、四象限光電探測器6和帶半導(dǎo)體溫度控制電路的安裝基板8組成，凸透鏡5位于 接收探頭的前端，激光束經(jīng)過凸透鏡5會聚在四象限光電探測器6上，四象限光電探測器6 位于接收探頭后端；四象限光電探測器6安裝在設(shè)置有半導(dǎo)體溫度控制器的基板8上，保證 四象限光電探測器6的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)不隨環(huán)境溫度變化。四象限光電探測器的半導(dǎo)體溫 度控制電路18與計(jì)算機(jī)控制單元16連接。
四象限光電探測器6將探測光束分為四個(gè)探測單元，每個(gè)探測單元分別與各自的光電信 號處理單元的前置放大器21、 22、 23、 24連接。
四象限光電探測器6的安裝基板8設(shè)置在X軸和Y軸平移臺上，即X軸平移臺9和Y軸 平移臺ll作為跟蹤部件，X軸和Y軸平移臺分別連接一臺步進(jìn)電機(jī)，即X軸平移步進(jìn)電機(jī)IO 和Y軸平移步進(jìn)電機(jī)12。兩臺步進(jìn)電機(jī)分別設(shè)有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，并通過計(jì)算機(jī)控制單元 16控制兩步進(jìn)電機(jī)的沿X軸和Y軸運(yùn)動，從而控制四象限光電探測器6的中心坐標(biāo)的調(diào)整， 完成對光斑的跟蹤控制。
本實(shí)用新型的工作過程
如圖4、圖5所示，本實(shí)用新型的半導(dǎo)體激光器2在驅(qū)動電源的驅(qū)動下發(fā)射出頻率1. 0 kHz 光脈沖序列，經(jīng)光束準(zhǔn)直器3后，成為平行光束，傳播規(guī)定的距離后，到達(dá)光接收單無的凸 透鏡5,會聚到四象限光電探測器6的表面，四象限光電探測器6將光束分成四部分，即一象限，二象限，三象限，四象限。每一象限為一個(gè)光電探測單元，將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為 電信號，各象限探測單元輸出的光電信號經(jīng)過各自的前置放大器21、 22、 23、 24、帶通濾波 器31、 32、 33、 34及乘法器與兀型濾波組合41、 42、 43、 44被轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，其大 小與各自探測單元接收到的光功率成正比，計(jì)算機(jī)控制單元12通過多路同步取樣電路11和 A/D轉(zhuǎn)換器分別獲得四象限光電探測器各路光信號的平均功率，根據(jù)發(fā)射光功率，按下面的 式(7)、 (4)和(1)或(2)或(3)計(jì)算能見度；按式(8)和式(9)計(jì)算光斑中心在四象 限光電探測器6上的坐標(biāo)，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器13、 14工作，X軸平移步進(jìn)電機(jī)7和Y軸平 移步進(jìn)電機(jī)9，使X軸平移臺8和Y軸平移臺IO移動，調(diào)整四象限光電探測器6的方位，實(shí) 現(xiàn)二維控制。
本實(shí)用新型的工作原理
以氣象視距表示能見度，按地面觀測規(guī)范之規(guī)定，當(dāng)遠(yuǎn)處目標(biāo)物-背景對比度下降為近處 對比度的0.02時(shí)，所對應(yīng)的距離定義為能見度，它由Koschmieder定律給出
3 912
、
其中/^是大氣對波長為550nm單色光的消光系數(shù)。在以其他波長義的單色光作為探測光時(shí)， 式(1)應(yīng)改寫為
D 3.912 f 0.55、"
(2)
kct 、義
式(2)為超越方程，只能獲得數(shù)值解。能見度的測量精度依賴于/^和波長的測量精度，實(shí)
際測量中波長的測量精度比消光系數(shù)的測量精度高的多。
在航空領(lǐng)域，為了保證航空器的安全，定義目標(biāo)物-背景對比度下降為近處對比度的0.05 時(shí)，所對應(yīng)的距離為能見度
<formula>formula see original document page 6</formula>
以波長確定的平行激光束作為探測光束，測定其傳輸一定距離后的透過率t，根據(jù)朗伯-比爾定律確定探測光束穿過區(qū)域大氣的消光系數(shù)/^。探測光發(fā)射器輸出的激光功率為/。，光
接收器接收的光功率為乙，待測消光系數(shù)為
<formula>formula see original document page 6</formula>
(4)
在本實(shí)用新型中用四象限光電探測器接收探測光束，探測光束經(jīng)過聚光透鏡后投射在四象限光電探測器面上的光斑直徑約為探測器直徑的二分之一，對應(yīng)每一象限設(shè)置一個(gè)光電信 號處理單元通道，每一象限所連接的前置放大、光電信號處理單元的性能參數(shù)一樣，如圖4 所示。四個(gè)通道各自輸出的直流電壓信號w,與該通道對應(yīng)象限光功率成正比，
(5)
由于各電子線路通道性能參數(shù)相同，即^ =《2 =《3 = & = -，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對四路信號同步 采樣，并對所得電壓信號求和得
(6)
,=1
到達(dá)光接收器的總光功率為<formula>formula see original document page 7</formula>
其中^光接收器聚光透鏡的透過率，f為四象限光電探測器分劃線對透射到四象限光電 探測器表面光斑面積有效因子。測定發(fā)射光功率和接收光功率，利用式(7)、 (4)和(1)或 (2)或(3)計(jì)算能見度。
本實(shí)用新型的另一個(gè)重要方面，是計(jì)算機(jī)控制單元根據(jù)多路同步取樣獲得的四象限光電 探測器四個(gè)通道的光功率按下式計(jì)算光斑中心在探測器上的位置坐標(biāo)
y—"[(/fil+/fi2) —C^3+/fi4)] (9)
其中a是探測器接收的光功率與光斑中心坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。計(jì)算機(jī)控制單元根據(jù)坐 標(biāo)值大小控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器工作，使二維平移臺移動，直至光斑中心與四象限光電探測器 分劃線交點(diǎn)幾乎重合，實(shí)現(xiàn)探測器對光束的自動對準(zhǔn)跟蹤。
權(quán)利要求1、一種透射式大氣能見度測量裝置，它包括發(fā)射部分和探測部分，探測部分包括接收單元、光電信號處理單元、數(shù)據(jù)采集單元和計(jì)算機(jī)控制單元，其特征是所述接收單元采用四象限光電探測器，每一象限探測的光束均設(shè)有光電信號處理單元，各光電信號處理單元輸出的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入計(jì)算機(jī)控制單元，由計(jì)算機(jī)控制單元控制四象限光電探測器的中心坐標(biāo)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式大氣能見度測量裝置，其特征是四象限光電探測器設(shè) 有保持其特性參數(shù)不隨環(huán)境溫度變化的半導(dǎo)體溫度控制電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式大氣能見度測量裝置，其特征是所述四象限光電探測 器的安裝底座上設(shè)有X軸和Y軸平移臺，X軸和Y軸平移臺分別連接一臺步進(jìn)電機(jī)，兩臺步 進(jìn)電機(jī)分別連接計(jì)算機(jī)控制單元。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透射式大氣能見度測量裝置，其特征是所述光電信號處理單 元包括前置放大器、帶通濾波電路和有效值轉(zhuǎn)換電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的透射式大氣能見度測量裝置，其特征是數(shù)據(jù)采集單元采用多 路同步取樣電路。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種長期可靠性高、能準(zhǔn)確測量能見度的透射式大氣能見度測量裝置。該透射式大氣能見度測量裝置包括發(fā)射部分和探測部分，探測部分包括接收單元、光電信號處理單元、數(shù)據(jù)采集單元和計(jì)算機(jī)控制單元，所述接收單元采用四象限光電探測器，每一象限探測的光束均設(shè)有光電信號處理單元，各光電信號處理單元輸出的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元送入計(jì)算機(jī)控制單元，由計(jì)算機(jī)控制單元控制四象限光電探測器的中心坐標(biāo)。
文檔編號G01N21/59GK201382898SQ200920041760
公開日2010年1月13日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者夏江濤, 肖韶榮, 薛鳴方, 靜 趙 申請人:南京信息工程大學(xué);江蘇省無線電科學(xué)研究所有限公司