专利名称：一种大气能见度测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大气能见度测量系统，属于气象要素监测技术、交通安全监测技术领域。
背景技术：
大气能见度是气象观测中的常规项目，它是表征大气透明程度的一个物理量，代表着大气光学物理状态，与天气的变化紧密相关。近年来，连续的气象观测表明，由于空气环境污染程度加重，城市局部的雾霾常常导致较低的能见度，对公共交通、居民的健康构成极大的威胁，能见度也成为衡量大气中污染物的一项重要指标。因此，能见度的实时测量、发布对气象、大气环境、交通安全方面有具有重要的实际意义。在我国，目前多数气象观测站的大气能见度观测仍然以人工目测为主，难以实现能见度观测的标准化和实时性。
近年来，随着能见度测量技术的发展，出现了多种原理的测量方法，包括激光雷达后相散射法、透射式测量法、前向散射法等一系列测量方法。尽管各类仪器的具体结构、测量方法不同，但测量的基本原理却是一致的，测出大气消光系数或大气透过率，即可按能见度计算公式算出能见度值。目前，常见的能见度测量仪器主要有两种透射式和前向散射式。透射式能见度仪是一种通过直接测量大气消光系数得到能见度值的测量仪器，其原理在一端采用主动光源发射，在另一接收端测量光强度的变化，根据两端之间的距离L (基线长度)，计算出能见度值。透射法是一种非常精确的测量方法，但是在高能见度测量精度上，受到基线长度的限制。通过测量理论计算，在80米长度的基线下，如果能见度为10公里的情况下，要求能见度测量值的误差在10%以内，透过率的测量精度必须达到3%。以内，这对在长期在外场运行的测量系统而言精度要求过高，实现的成本过高。同时，测量基线也不能过长，这是因为在较低能见度条件下，透过率过低，探测器只能接收到极其微弱光源的信号，甚至可能接收不到光源信号，也会影响到测量效果。所以说，透射法是一种非常精确的测量方法，但是受到基线的限制，只适合在8000米以内的量程内进行测量。散射式能见度是利用米散射原理，测量一个小体积空气对光的前向散射强度，推算出总散射系数，得到总消光系数，从而反演出能见度值。一般选用30-45°的角度做为前向散射测量角度，因为在这个角度范围上的散射相函数对不同粒径气溶胶的不具有敏感性。散射法能见度测量方法测量范围宽(上限能达到50km以上)、不需要安装长基线，可以在各种地理条件下使用，而且结构紧凑、安装简单、易于维护。但是散射法也有以下的缺点1)当遇到雨雪天气时，由于降水粒子的干扰，其测量数据可信度将下降。为了弥补雨雪天气时的气象学误差，很多散射法测量仪中增加了其它传感器用以探测降水的类型和强度。即便如此，测量误差仍旧不能够被完全补偿。2)低能见度的情况下，常常出现不均匀的大气环境，由于被测的空气介质体积很小，测量缺少整个地区能见度值的代表性。

发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种全量程的大气能见度探测系统，集成现有测量方法的优点，通过单光源、双基线的测量系统，实现透射、散射信号同时测量，在不同的量程上采用不同的测量方法，得到最准确的测量数据。本发明技术解决方案一种大气能见度测量系统，包括光源发射端、透射信号接收端、散射信号接收端、角反射镜、信号调理单元、DSP数字信号处理单元；透射信号接收端放置在光源发射端旁，与光源发射端平行，接收对面角反射镜反射回来的光信号；散射光信号接受端放置在光源发射端侧前方，方向与光源光束水平呈45° ,接收光源发射光45°方向上的散射光信号；光源发射端前40米处安装角发射镜，反射光源发射端发出的光束；在DSP数字信号处理单元的控制下，通过控制通道选择模块，选择光信号测量通道，测量信号进入信号调理单元进行信号调理，调理后的测量信号输入至DSP数字信号处理单元；DSP数 字信号处理单元选择测量方式，对测量信号进行模数转换，测量能见度值；所述光源发射端采用二级管激光器作为光源，其光源波长在785nm波段上；所述光源发射端还包括光源调制电路，由DSP数字信号处理单元控制光源调制电路产生2. 4k的方波信号作为调制信号对光源进行调制，克服测量过程中外界杂散光的影响；同时采用APC控制电路，稳定光源输出功率；在光源发射端，所述光源通过凸透镜准直后形成一条光束，照射到对面的角反射镜上，形成一束与原来光束平行、方向相反的反射光束；所示的角发射镜，是由三面垂直放置的全反镜组成，三个镜面相互90°垂直，使反射光与入射光平行、方向相反；所示的角发射镜，在本发明中与光源发射端距离为40米；光源发射端发射的光束被角反射镜反射后，先经过透射接收端的凸透镜汇后再聚到探测器表面，进行光电转化；散射光信号接受端放置在光源发射端侧前方，方向与光源光束水平呈45°，测量光源发射光在45°方向上的前向散射光，散射光先经过散射接收端的凸透镜汇后再聚到探测器表面，进行光电转化；在上述散射信号接收端、透射信号接收端的探测器前安装滤光片，过滤不在光源波段上的杂散光；所述探测器采用硅PIN光电探测器；所述信号调理单元包括前置放大器、通道选择器、相敏检波器、带通滤波器、二级放大器；探测器将探测到的光信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，在DSP数字处理单元的控制下，通过控制通道选择器，选择相应的光测量信号进入相敏检波器进行相敏检波，完成测量信号的解调，解调后的信号通过带通滤波器滤波、二级放大器放大后输入DSP数字信号处理单元中进行AD转化，计算能见度值。通过DSP数字信号处理单元选择测量方式，测量能见度值，具体测量方法如下( I)先选通透射测量信号通道，透射光信号经过调理、AD转换化后，得到透射光强
权利要求
1.一种大气能见度测量系统，其特征在于包括光源发射端、透射信号接收端、散射信号接收端、角反射镜、信号调理单元和DSP数字信号处理单元；角发射镜是由三面垂直放置的全反镜组成，三个镜面相互90°垂直，使反射光与入射光平行、方向相反；角发射镜安装光源发射端对面，反射光源发射端发出的光束；角发射镜与光源发射端距离为40米，经过反射镜的反射后，系统的测量基线长度为80米；透射信号接收端放置在光源发射端旁，与光源发射端平行，接收对面角反射镜反射回来的光信号，进行透射光测量；散射光信号接收端放置在光源发射端侧前方，方向与光源光束水平呈45° ,接收光源发射光45°方向上的前向散射光信号，进行散射光测量；信号调理单元由前置放大器、通道选择器、相敏检波器、带通滤波器、二级放大器组成；探测器将探测到的光信号转换为电信号，通过前置放大器放大后，在DSP数字处理单元的控制下，通过控制通道选择器，选择相应的光测量信号进入相敏检波器进行相敏检波，完成测量信号的解调，解调后的信号通过带通滤波器滤波、二级放大器放大后输入DSP数字信号处理单元中进行AD转化，计算能见度值；DSP数字信号处理单元控制选择测量通道，处理经过调理后的测量信号，对测量信号进行模数转换，并选择测量方式，测量能见度值，具体测量步骤如下 DSP数字信号处理单元先选通透射测量信号通道，透射光信号经过调理、AD转换化后， ,,.人n(0.05)得到透射光强度为I，计算能见度值，计算公式MOR = /~"(7 z7 ;,其中，MOR是能见度值，Itl是初始光强，是光源没有经过大气衰减前的光强度；Ιο的计算是在设备安装前，将光源对面的角发射镜移动在至光源前，避开大气消光影响测量出的光强值，并记录在系统内存中；当计算出的透射能见度值小于8000米，透射能见度MOR的值误差较小，系统输出当前透射能见度值；当计算出MOR的值大于8000米，透射能见度的误差值较大，用散射信号的计算能见度值作为当前能见度值，DSP数字处理单元控制选择选通器，选通散射光测量通道，对散射光信号进行调理，再进行AD转化，并计算散射MORs,计算公式MiMs. = +，其中，κ是仪器 s的系统常数，通过与人工观测值多次定标得到的常数，Is是测量散射光信号的强度，系统输出MORs作为当前能见度值。
2.根据权利要求I所述大气能见度测量系统，其特征在于所述光源发射端采用二级管激光器作为光源，其光源波长在785nm波段上。
3.根据权利要求I所述大气能见度测量系统，其特征在于所述光源发射端还包括光源调制电路，由DSP数字信号处理单元控制光源调制电路产生2. 4k的方波信号作为调制信号对光源进行调制，克服测量过程中外界杂散光的影响；同时采用APC控制电路，稳定光源输出功率。
4.根据权利要求I所述大气能见度测量系统，其特征在于在光源发射端，光源通过凸透镜准直后形成一条光束，照射到对面的角反射镜上，形成一束与原来光束平行、方向相反的反射光束。
5.根据权利要求I所述大气能见度测量系统，其特征在于所述光源发射端发射的光束被角反射镜反射后，先经过透射接收端的凸透镜汇后再聚到探测器表面，进行光电转化。
6.根据权利要求I所述大气能见度测量系统，其特征在于所述光源发射端发射的光束经过大气粒子散射，在45°前向散射方向上，经过散射接收端的凸透镜汇后再聚到探测器表面，进行光电转化。
7.根据权利要求I所述大气能见度测量系统，其特征在于在上述散射信号接收端、透射信号接收端的探测器前安装滤光片，过滤不在光源波段上的杂散光。
8.根据权利要求I所述大气能见度测量系统，其特征在于所述探测器采用硅PIN光电探测器。
全文摘要
一种大气能见度测量系统，其特点在于实现全量程上大气能见度的精确测量。该系统采用了单光源和双基线测量结构，将光源发射端和两个信号接收端集成为一个整体，降低了光路调试、测量电子系统设计的复杂程度，减小了场地安装的要求，增加系统的实用性，降低了设备成本。同时，激光光源经过高频调制，并在探测器前端安装了滤光片，提高了系统抗背景光、杂散光影响的能力。在信号采样部分采用了同步检波弱信号检测技术，提高了系统的测量精度和测量量程。本发明的大气能见度测量系统，可应用于气象观测站、机场、高速公路、港口、大气环境监测等行业使用。
文档编号G01N21/59GK102879359SQ201210364718
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者程寅, 刘文清, 刘建国, 陆亦怀, 桂华侨, 王亚平, 陈军 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院