專利名稱：一種提高能見度測試儀測量精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種提高能見度測試儀測量精度的方法，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用光電技術(shù)測試大氣能見度的方法。
背景技術(shù)：
大氣環(huán)境中沙塵的含量和霧的濃度是決定能見度高低的兩個重要因素。能見度的高低是影響人們?nèi)粘；顒拥闹匾蛩兀绕鋵煌ㄟ\(yùn)輸行業(yè)的影響最為嚴(yán)重?，F(xiàn)代生活中，機(jī)場、高速公路經(jīng)常因?yàn)槟芤姸冗^低而不得不暫時關(guān)閉。目前，在多數(shù)能見度不高的情況下，決定究竟是否關(guān)閉機(jī)場、高速公路等設(shè)施或停止某些活動主要靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)，其決定的結(jié)果往往缺乏科學(xué)性。保守的決定可能帶來一些經(jīng)濟(jì)利益的損失，激進(jìn)的決定又可能帶來一定的作業(yè)的風(fēng)險，因此，人們希望擁有一種科學(xué)的測量儀器，能對能見度進(jìn)行測量并提供精確的測量結(jié)果，從而為人們提供科學(xué)的決策依據(jù)。
目前，測量能見度的方法主要是基于光電技術(shù)的前向散射法，也有后向散射法或透射法。但是，不論采用哪一種測試方法，所構(gòu)成的能見度測試儀，如圖1至圖3所示，其組成都包括發(fā)射光學(xué)天線、接收光學(xué)天線和信號處理部分，只是不同的能見度測試儀的接收光學(xué)天線所接收的光線成分有所不同?；谇跋蛏⑸浞ǖ哪芤姸葴y試儀利用的是前向散射光來測試能見度，而基于后向散射法的能見度測試儀利用的是后向散射光來測試能見度，基于透射法的能見度測試儀則是利用透射光來測試能見度。三種能見度測試儀的發(fā)射光學(xué)天線和接收光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)基本一致，發(fā)射光學(xué)天線都包括光源和發(fā)射透鏡，接收光學(xué)天線都包括接收透鏡和光檢測器。
無論哪一種能見度測試儀，其測試能見度的原理基本相似，且都可以描述如下設(shè)在大氣能見度相當(dāng)好的條件下，發(fā)射光學(xué)天線的光源發(fā)射出一定功率的發(fā)射光，接收光學(xué)天線4的光檢測器6接收到一定的入射光后產(chǎn)生光電流，該電流經(jīng)放大電路放大后的輸出電壓為UR；在進(jìn)行能見度測試時，發(fā)射光學(xué)天線的光源發(fā)射出相同功率的發(fā)射光，接收光學(xué)天線4的光檢測器6接收到一定的入射光后產(chǎn)生光電流，該電流經(jīng)放大電路放大后的輸出電壓為UR′；通常由于大氣信道的衰減，使得UR′＜UR，其差值ΔU＝UR-UR′根據(jù)相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系反映了大氣信道中能見度的大小?，F(xiàn)有的能見度測試儀就是通過測試上述ΔU，然后根據(jù)相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出能見度的大小。
無論哪一種能見度測試儀，由于光學(xué)天線長期曝露在大氣之中，雖然光學(xué)天線通常被密封在光學(xué)天線支架內(nèi)，但是光學(xué)天線(透鏡、光源和光檢測器)表面會附著塵土和水霧，在進(jìn)行能見度測試時，光學(xué)天線表面的塵土和水霧會對發(fā)射光或入射光產(chǎn)生很大的衰減作用，使得根據(jù)前述原理所測得的ΔU′會小于大氣信道的衰減作用所實(shí)際產(chǎn)生的ΔU。因此，以ΔU′代替ΔU來計(jì)算能見度必然導(dǎo)致測得的能見度大小總是小于實(shí)際的能見度大小，從而導(dǎo)致總是偏小的系統(tǒng)誤差。因?yàn)樵诿看文芤姸鹊臏y試中，光學(xué)天線表面的清潔度往往不一致，所以這種總是偏小的系統(tǒng)誤差也不一致，很難根據(jù)一定的估計(jì)值加以修正。
由于在測試過程中存在上述無法消除的、且總是偏小而又無法估計(jì)的系統(tǒng)誤差，使得現(xiàn)有能見度測試儀的測量精度大大降低。目前，還未見報(bào)道有克服這種由于光學(xué)天線表面的不清潔所帶來的系統(tǒng)誤差，從而提高能見度測試儀測量精度的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是消除由于光學(xué)天線表面的不清潔所帶來的總是偏小的系統(tǒng)誤差，從而提高能見度測試儀測量精度。
本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案為一種提高能見度測試儀測量精度的方法，其特征是，它包括以下步驟步驟1.檢測發(fā)射端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓。具體分步驟如下1).控制檢測光源的光功率，使檢測光源的發(fā)射光功率保持穩(wěn)定；2).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線清潔的情況下，測試發(fā)射端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓UT；3).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線不清潔的情況下，測試發(fā)射端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓UT′；4).設(shè)發(fā)射端光學(xué)天線出光面的面積為ST1，發(fā)射端光檢測器光敏面的面積為ST2，它們的面積比為ηT＝ST1/ST2；計(jì)算發(fā)射端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓ΔUT′＝ηTΔUT＝ηT(UT-UT′)。
步驟2.檢測接收端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓。具體分步驟如下1).采用與步驟1.中檢測發(fā)射端光學(xué)天線對測試光功率的衰減量時相同的檢測光源作為接收端檢測光源，并采用相同的光功率，對檢測光源進(jìn)行光功率控制，使檢測光源的發(fā)射光功率保持穩(wěn)定；2).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線清潔的情況下，測試接收端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓UR；3).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線不清潔的情況下，測試接收端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓UR′；4).設(shè)接收端光學(xué)天線出光面的面積為SR1，接收端光檢測器光敏面的面積為SR2，它們的面積比為ηR＝SR1/SR2；計(jì)算接收端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓ΔUR′＝ηRΔUR＝ηR(UR-UR′)。
步驟3.檢測大氣信道對測試光功率的衰減量。具體分步驟如下1).采用步驟1.中檢測發(fā)射端光學(xué)天線對測試光功率的衰減量時的檢測光源作為發(fā)射光源，并采用相同的光功率，對發(fā)射光源進(jìn)行功率控制，使發(fā)射光源的發(fā)射光功率保持穩(wěn)定；2).在1).的基礎(chǔ)上，并在能見度相當(dāng)好時，測試接收端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓U；3).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線不清潔的情況下，測試接收端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓U′；4).計(jì)算總衰減電壓為ΔU＝U-U′；設(shè)大氣信道衰減電壓為ΔUC，則總衰減電壓可表示為ΔU＝ΔUC+ΔUT′+ΔUR′＝ΔUC+ηTΔUT+ηRΔUR；5).計(jì)算大氣信道衰減電壓ΔUC＝ΔU-ηTΔUT-ηRΔUR，ΔUC即反映了大氣信道(大氣環(huán)境)中能見度的大小。
步驟1.—步驟3.中所述檢測光源光功率控制方法為采用光檢測器檢測檢測光源的背向光，光檢測器所得的光電流經(jīng)放大器放大后轉(zhuǎn)換為背向光檢測電壓；當(dāng)光源功率發(fā)生變化時，背向光檢測電壓也發(fā)生相應(yīng)的變化，信號處理單元根據(jù)背向光檢測電壓的變化為光功率控制電路提供控制信號，光功率控制電路通過光源驅(qū)動電路控制光源的輸出功率，使光源輸出光功率保持穩(wěn)定。
步驟1.—步驟3.中所述光源可以采用半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管。
本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明所述的一種提高能見度測試儀測量精度的方法，能夠消除由于光學(xué)天線表面的不清潔所帶來的總是偏小的系統(tǒng)誤差，從而提高能見度測試儀測量精度。整個發(fā)明原理簡單，能以較低成本實(shí)現(xiàn)硬件裝置。


圖1是前向散射能見度測試儀原理示意圖。其中，1表示發(fā)射端光學(xué)天線，2表示發(fā)射端光學(xué)天線的光源，3表示表示發(fā)射端光學(xué)天線的透鏡，4表示接收端光學(xué)天線，5表示接收端光學(xué)天線的透鏡，6表示接收端光學(xué)天線的光檢測器。
前向散射能見度儀是通過測量一小部分空氣中固體顆粒對光束的前向散射光來得出大氣光學(xué)能見度。前向散射能見度儀的發(fā)射天線與接收天線成一定的角度安裝，發(fā)射光束在大氣中傳播時，受到大氣中固體顆粒(灰塵、霧等)的散射，有部分發(fā)射光會入射到接收光學(xué)天線中，光檢測器將其轉(zhuǎn)換成電信號，該信號經(jīng)處理后可得到能見距離。前向散射能見度測試儀存在一定的缺點(diǎn)，觀測時的空氣采樣體積非常小，不能完全代表外部的空氣；其光源的發(fā)射功率較大，如果使用可見光光源，在應(yīng)用于高速公路等場合時，夜晚有可能會影響司機(jī)的視野；而使用紅外光時，計(jì)算誤差較大。
圖2是后向散射能見度測試儀原理示意圖。其中，1表示發(fā)射端光學(xué)天線，2表示發(fā)射端光學(xué)天線的光源，3表示表示發(fā)射端光學(xué)天線的透鏡，4表示接收端光學(xué)天線，5表示接收端光學(xué)天線的透鏡，6表示接收端光學(xué)天線的光檢測器。
后向散射能見度儀是通過測量一小部分空氣中固體顆粒對光束的后向散射光來得出大氣光學(xué)能見度。后向散射能見度測試儀通常是彼此并排并且?guī)缀跏瞧叫械匕惭b發(fā)射天線和接收天線。后向散射能見度測試儀對大氣的采樣體積要比其它方法大得多測試誤差較小。因?yàn)楹笙蛏⑸淠芤姸葴y試儀的發(fā)射與接收光學(xué)天線要幾乎平行的安裝，所以其安裝、調(diào)試難度較大；此外，也存在著前向散射能見度測試儀發(fā)射功率大的問題。
圖3是透射式能見度測試儀原理示意圖。其中，1表示發(fā)射端光學(xué)天線，2表示發(fā)射端光學(xué)天線的光源，3表示表示發(fā)射端光學(xué)天線的透鏡，4表示接收端光學(xué)天線，5表示接收端光學(xué)天線的透鏡，6表示接收端光學(xué)天線的光檢測器。
透射式能見度測試儀是通過測量發(fā)射光線在直線傳播過程中的透射光來得出大氣光學(xué)能見度。透射式能見度測試儀的發(fā)射天線與接收天線成直線安裝，其安裝、調(diào)試較簡單，發(fā)射功率小，一般在幾個毫瓦；透射法對大氣采樣的體積介于前向散射和后向散射法之間，其測試誤差介于前向散射和后向散射能見度測試儀之間，但只要采取適當(dāng)?shù)男盘柼幚矸椒ǎ匀豢梢赃_(dá)到很高的測試精度。
圖4是檢測發(fā)射端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓原理示意圖。其中，2表示發(fā)射端光學(xué)天線的光源，3表示表示發(fā)射端光學(xué)天線的透鏡，7表示發(fā)射端光學(xué)天線光源的背向光檢測器，8表示光學(xué)天線支架，9表示發(fā)射端光檢測器。
圖5是檢測接收端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓原理示意圖。其中，5表示接收端光學(xué)天線的透鏡，6表示接收端光學(xué)天線的光檢測器，8表示光學(xué)天線支架，10表示接收端檢測光源，11表示接收端檢測光源的背向光檢測器。圖中光源、光檢測器、放大電路、信號采集與處理等與圖4種對應(yīng)部分相同。
圖6是本發(fā)明所述的一種提高能見度測試儀測量精度的方法的流程示意圖。
權(quán)利要求
1.一種提高能見度測試儀測量精度的方法，其特征是，它包括以下步驟步驟1.檢測發(fā)射端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓；具體分步驟如下1).控制檢測光源的光功率，使檢測光源的發(fā)射光功率保持穩(wěn)定；2).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線清潔的情況下，測試發(fā)射端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓UT；3).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線不清潔的情況下，測試發(fā)射端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓U′T；4).設(shè)發(fā)射端光學(xué)天線出光面的面積為ST1，發(fā)射端光檢測器光敏面的面積為ST2，它們的面積比為ηT＝ST1/ST2；計(jì)算發(fā)射端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓ΔU′T＝ηTΔUT＝ηT(UT-U′T)；步驟2.檢測接收端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓；具體分步驟如下1).采用與步驟1.中檢測發(fā)射端光學(xué)天線對測試光功率的衰減量時相同的檢測光源作為接收端檢測光源，并采用相同的光功率，對檢測光源進(jìn)行光功率控制，使檢測光源的發(fā)射光功率保持穩(wěn)定；2).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線清潔的情況下，測試接收端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓UR；3).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線不清潔的情況下，測試接收端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓U′R；4).設(shè)接收端光學(xué)天線出光面的面積為SR1，接收端光檢測器光敏面的面積為SR2，它們的面積比為ηR＝SR1/SR2；計(jì)算接收端光學(xué)天線對測試光功率的衰減電壓ΔU′R＝ηRΔUR＝ηR(UR-U′R)；步驟3.檢測大氣信道對測試光功率的衰減量；具體分步驟如下1).采用步驟1.中檢測發(fā)射端光學(xué)天線對測試光功率的衰減量時的檢測光源作為發(fā)射光源，并采用相同的光功率，對發(fā)射光源進(jìn)行功率控制，使發(fā)射光源的發(fā)射光功率保持穩(wěn)定；2).在1).的基礎(chǔ)上，并在能見度相當(dāng)好時，測試接收端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓U；3).在1).的基礎(chǔ)上，并在光學(xué)天線不清潔的情況下，測試接收端光檢測器所產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大器放大后的輸出電壓U′；4).計(jì)算總衰減電壓為ΔU＝U-U′；設(shè)大氣信道衰減電壓為ΔUC，則總衰減電壓可表示為ΔU＝ΔUC+ΔU′T+ΔU′R＝ΔUC+ηTΔUT+ηRΔUR；5).計(jì)算大氣信道衰減電壓ΔUC＝ΔU-ηTΔUT-ηRΔUR，ΔUC即反映了大氣信道(大氣環(huán)境)中能見度的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高能見度測試儀測量精度的方法，其特征是，步驟1.一步驟3.中所述檢測光源光功率控制方法為采用光檢測器檢測檢測光源的背向光，光檢測器所得的光電流經(jīng)放大器放大后轉(zhuǎn)換為背向光檢測電壓；當(dāng)光源功率發(fā)生變化時，背向光檢測電壓也發(fā)生相應(yīng)的變化，信號處理單元根據(jù)背向光檢測電壓的變化為光功率控制電路提供控制信號，光功率控制電路通過光源驅(qū)動電路控制光源的輸出功率，使光源輸出光功率保持穩(wěn)定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高能見度測試儀測量精度的方法，其特征是，步驟1.一步驟3.中所述光源可以采用半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管。
全文摘要
一種提高能見度測試儀測量精度的方法，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用光電技術(shù)測試大氣能見度的方法。本發(fā)明首先分別檢測能見度測試儀發(fā)射端和接收端光學(xué)天線對一定檢測光功率的衰減電壓；然后相同的檢測光功率下，測試能見度時的總的衰減電壓；最后從總的衰減電壓中減去收發(fā)兩端光學(xué)天線的衰減電壓，得到大氣信道的衰減電壓，從而用扣除了收發(fā)兩端光學(xué)天線的衰減電壓后的大氣信道的衰減電壓來反映能見度的高低。采用本發(fā)明所述的一種提高能見度測試儀測量精度的方法，能夠消除由于光學(xué)天線表面的不清潔所帶來的總是偏小的系統(tǒng)誤差，從而提高能見度測試儀測量精度。整個發(fā)明原理簡單，能以較低成本實(shí)現(xiàn)硬件裝置。
文檔編號G01W1/00GK1793841SQ20051002243
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者鄧興成, 楊名光, 姜寶鈞, 周良福 申請人:電子科技大學(xué)