前向散射能見度儀研制

張世松 張月亮

（安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

近年來，隨著我國高速公路的快速發(fā)展，交通運輸?shù)陌踩蔀樯鐣P(guān)注焦點。因大霧天氣造成高速公路車輛追尾，導(dǎo)致車毀人亡的嚴(yán)重交通事故屢有發(fā)生。交通監(jiān)管部門及時準(zhǔn)確監(jiān)測能見度數(shù)據(jù)、實時發(fā)布能見度預(yù)警信息是避免嚴(yán)重交通事故有效手段。目前我國能見度數(shù)據(jù)大都依靠人工觀測得來、主觀因素過多、影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，用能見度測試儀代替人工觀測是必然趨勢。能見度作為一個重要的地面氣象觀測要素，在氣象觀測業(yè)務(wù)中已有近百年的歷史。目前，市場上能見度儀產(chǎn)品被芬蘭、英國等國家產(chǎn)品所壟斷，因而進(jìn)口產(chǎn)品價格十分昂貴。為實現(xiàn)國產(chǎn)化，替代進(jìn)口，安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司與中國科學(xué)院安徽光機所通力合作，成功研制出HW-N1型前向散射能見度儀，產(chǎn)品性能指標(biāo)完全達(dá)到或優(yōu)于國外同類產(chǎn)品水平。

1.工作原理

能見度概念提出的物理基礎(chǔ)是紅外輻射光源與大氣中分子和氣溶膠粒子之間相互作用產(chǎn)生的各種物理過程。其中氣溶膠粒子是低層大氣中最常見的散射介質(zhì)，在光的照射下，由于照射光振蕩電磁場的作用，散射體產(chǎn)生極化而感應(yīng)出振蕩電磁多極子。散射體電磁多極子產(chǎn)生的電磁振蕩，向各個方向輻射出電磁波，形成光散射過程。

氣溶膠粒子對光的散射是立體的、全方位的。從原理上來講，可以測量任何角度的光散射，提取大氣能見度信息。若以大氣樣本中心（收、發(fā)光軸相交點）為錐頂、發(fā)射器光軸為錐軸、以過錐頂且垂直于錐軸的平面為分界、可把散射空間劃分為前后兩區(qū)，與發(fā)射器不同側(cè)為前向散射區(qū)、反之為后向散射區(qū)。通常將接收器位于前向散射區(qū)的能見度儀稱為前向散射能見度儀，將接收器位于后向散射區(qū)的能見度儀稱為后向散射能見度儀。本文介紹的能見度儀屬于前者。

前向散射式能見度儀工作原理：其發(fā)射器以紅外LED作為光源，通過透鏡、經(jīng)脈沖調(diào)制后光源照射到采樣空間，采樣空間內(nèi)的氣溶膠粒子對光產(chǎn)生散射，散射量大小與氣溶膠粒子的尺寸、濃度相關(guān)，氣溶膠粒子的尺寸、濃度又與大氣能見度相關(guān)。散射光經(jīng)濾光片濾出、接收器探測到前向散射信號，并根據(jù)一定角度上的散射信號與總散射量的關(guān)系確定總散射系數(shù)，由CPU通過專門算法轉(zhuǎn)化為能見度值。

2.系統(tǒng)設(shè)計

一套完整能見度儀系統(tǒng)主要由機械結(jié)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)、硬件、軟件程序等構(gòu)成。

圖1：能見度儀機械結(jié)構(gòu)圖

2.1 機械結(jié)構(gòu)

HW-N1型能見度儀機械結(jié)構(gòu)主要包括：能見度傳感器、太陽能板、立桿、蓄電池等（如圖1所示）。

能見度傳感器作為大氣能見度儀主要的部件之一，它由發(fā)射器、接收器、橫臂支架等組成（如圖2所示）。能見度傳感器橫臂支架、斜塊均選用5A05航空鋁材，經(jīng)機械加工、鋁釬焊焊接而成。橫臂支架是保證發(fā)射器、接收器相互位置及角度的基礎(chǔ)。分別通過發(fā)射器、接收器的端蓋與焊接式橫臂支架上斜塊裝配定位后形成一套完整能見度傳感器。按照光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計要求、保證圖2所示α1=α2、β 等參數(shù)是關(guān)鍵。

圖2：能見度傳感器結(jié)構(gòu)圖

選用厚度6mm鍍鋅鋼板焊接成蓄電池盒作為底座，底座再與直徑為89mm鍍鋅鋼管焊接，制成能見度儀立桿，并對其表面進(jìn)行熱浸鋅、噴塑工藝處理。立桿具有耐腐蝕、美觀的特點。

太陽能板、蓄電池、光伏控制器組成了太陽能供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可保證連續(xù)兩周陰雨天情況下、設(shè)備正常供電。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)

HW-N1型前向散射能見度儀屬于光電測量儀器，其構(gòu)造離不開光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)包括：確定工作角度、發(fā)射器光路設(shè)計與接收器光路設(shè)計（如圖3）。接收器光軸與發(fā)射器光軸相交的銳角θ 為其工作角度。選擇工作角度原則是方向散射量較大、以保證測量信號足夠大、信噪比足夠高，同時，應(yīng)避免發(fā)射器的輻射光束直接射入接收器。實踐證明，在向前方向30°-50°散射角域內(nèi)，具有更強散射光、且角散射系數(shù)與總散射系數(shù)的比例因子更加穩(wěn)定?；谏鲜鲈瓌t，系統(tǒng)選用35°工作角度。

圖3：能見度光學(xué)系統(tǒng)圖

發(fā)射器光路系統(tǒng)由光源、透鏡組成。系統(tǒng)選用880nm紅外發(fā)光二極管作為光源，透鏡我們選取火石光學(xué)玻璃并將透鏡的表面加鍍增透薄膜。透鏡作用是將紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光束的發(fā)散角壓窄，使發(fā)射光束能量體積密度增加。加鍍增透薄膜可減少透射光能的發(fā)射損失，提高工作光譜帶的透過率。

接收器光路系統(tǒng)由探測光電管、透鏡、濾光片組成。探測光電管作用是探測被發(fā)射器發(fā)射、大氣散射的部分紅外光脈沖，輸出與這部分紅外光脈沖成正比的模擬電源信號。系統(tǒng)選用離子著色選擇性吸收玻璃為濾光片。

2.3 硬件設(shè)計

HW-N1型前向散射能見度儀硬件，包括發(fā)射單元、接收單元、采集控制單元等。

HW-N1型前向散射能見度儀發(fā)射器由一個紅外LED、控制、光強度監(jiān)測器等組成。發(fā)射單元按固定頻率發(fā)射。一個反饋光敏二極管監(jiān)控發(fā)射光的強度，并用來反饋調(diào)整光強變化至預(yù)置值，其產(chǎn)生的能量信號送到采集控制器處理。其發(fā)射器原理（如圖4）。

圖4：發(fā)射器原理框圖

其接收器由光電傳感器、濾波放大器、交流放大器等組成，接收光敏二極管檢測從大氣氣溶膠散射的光脈沖。這個信號被經(jīng)同步解調(diào)器再經(jīng)過過濾、放大后得到了能見度信號，并將該信號送到采集控制器處理。其接收器原理（如圖5）。

圖5：接收器原理框圖

其采集、控制器由微處理器A/D轉(zhuǎn)換電路、通訊接口等組成。來自發(fā)射器的能量信號與來自接收器的能見度信號經(jīng)模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器后送入微處理器處理?？刂破饕?9C52微處理器為基礎(chǔ)，系統(tǒng)選用DS12887A+高精度時鐘芯片、14位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。采集、控制器除了數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)部控制功能外，還具有利用串行RS－232口進(jìn)行通訊功能。其采集、控制器原理（如圖6）。

圖6：采集、控制器原理框圖

2.4 軟件程序

HW-N1型能見度儀軟件程序包括下位機程序和上位機監(jiān)控軟件兩種。

下位機程序編碼是基于KEIL環(huán)境下開發(fā)而成，程序包括信號處理計算程序、系統(tǒng)計時程序和數(shù)據(jù)通訊程序等。在硬件重置或啟動后，程序初始化它的工作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)正常后，程序?qū)⒆詣訄?zhí)行信號處理計算、系統(tǒng)計時和數(shù)據(jù)通訊等相關(guān)程序。下位機程序流程圖（如圖7）。

圖7：下位機程序流程圖

上位機監(jiān)控軟件是客戶端軟件，由類GIS全圖展示、單點實時信息顯示、報表圖形查詢、報警設(shè)置、用戶管理和定時文件傳輸?shù)裙δ苣K組成。形象的類GIS全圖展示方便用戶快速定位監(jiān)測點能見度信息；豐富的報表圖形查詢提供了任意時段任意要素的歷史數(shù)據(jù)；能見度監(jiān)測要素設(shè)置了三級報警，便于管理者發(fā)布緊急情況下能見度信息。

3.結(jié)束語

在安徽藍(lán)盾光電子股份有限公司與中國科學(xué)院安徽光機所通力合作下，研制成功的HW-N1型前向散射能見度儀經(jīng)國家有關(guān)部分檢測，產(chǎn)品性能指標(biāo)完全達(dá)到或優(yōu)于國外同類產(chǎn)品水平。該產(chǎn)品成功研制為實現(xiàn)前向散射能見度儀國產(chǎn)化、打破國外產(chǎn)品壟斷，起到了應(yīng)有的作用。

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