基于前向散射原理的能見(jiàn)度儀設(shè)計(jì)

李佳　安素霞　韓振宇　蘇振

摘要：前向散射式能見(jiàn)度儀主要用來(lái)測(cè)量前向散射式光線的強(qiáng)度，通過(guò)得出的大氣消光系數(shù)，計(jì)算出大氣的能見(jiàn)度值。針對(duì)高速公路團(tuán)霧現(xiàn)象，研制低成本、小型化、低功耗的能見(jiàn)度檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)研制及測(cè)試，分析了高速公路團(tuán)霧預(yù)警方法。

關(guān)鍵詞：能見(jiàn)度;團(tuán)霧;前向散射;預(yù)警

中圖分類號(hào)：TH89

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.053

1 概述

能見(jiàn)度是指視力正常的人能將目標(biāo)物從背景中識(shí)別出來(lái)的最大距離。在高速公路上，車速一般都比較高，Is就能行進(jìn)幾十米，而團(tuán)霧會(huì)突然出現(xiàn)，導(dǎo)致區(qū)域能見(jiàn)度急劇下降，極易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

“團(tuán)霧”本質(zhì)上也是霧，是受局部地區(qū)微氣候環(huán)境的影響，在大霧中數(shù)十米到上百米的局部范圍內(nèi)，出現(xiàn)霧氣更濃、能見(jiàn)度更低的霧。團(tuán)霧外視線良好，團(tuán)霧內(nèi)一片朦朧。團(tuán)霧預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)難、區(qū)域性強(qiáng)，容易造成重大交通事故。大型團(tuán)霧可以覆蓋五六千米長(zhǎng)的高速公路，小團(tuán)霧僅有一千米甚至幾百米長(zhǎng)。高速公路上的“團(tuán)霧”現(xiàn)象，具有突發(fā)性、地段性、局部能見(jiàn)度低、難以預(yù)測(cè)等特征。

在高速公路的日常巡查中，通常依靠路側(cè)架設(shè)的攝像機(jī)和路政巡邏車來(lái)監(jiān)測(cè)團(tuán)霧。由于攝像機(jī)的布設(shè)密度和路政巡邏車巡邏的強(qiáng)度有限，導(dǎo)致團(tuán)霧的時(shí)間一空間監(jiān)測(cè)覆蓋范圍有限，造成團(tuán)霧的監(jiān)測(cè)和預(yù)警不及時(shí)。另外，我國(guó)部分高速公路，沿路間隔10 - 15 km安裝一套能見(jiàn)度檢測(cè)儀，由于目前的能見(jiàn)度儀的量程范圍大，體積相對(duì)較大，功耗高，價(jià)格高，能見(jiàn)度檢測(cè)儀僅能監(jiān)測(cè)所在位置附近的能見(jiàn)度變化情況，而無(wú)法對(duì)狹長(zhǎng)路段內(nèi)的團(tuán)霧進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)?；诖饲闆r，研發(fā)了針對(duì)低能見(jiàn)度測(cè)量設(shè)備，具有設(shè)備小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、售價(jià)低、適合大面積安裝的特點(diǎn)。

2 測(cè)量原理及結(jié)構(gòu)

2.1 測(cè)量原理

能見(jiàn)度是一個(gè)復(fù)雜的心理一物理現(xiàn)象，主要受制于懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)微粒引起的大氣消光系數(shù)（消光主要是由光的散射而非吸收所引起），同時(shí)還取決于觀測(cè)者的對(duì)比閾值[1]。

MOR通過(guò)對(duì)比閾值與能見(jiàn)度的直覺(jué)概念相聯(lián)系。不同的文獻(xiàn)給出的對(duì)比閾值差異較大，0.007 - 0.06。MOR可以用儀器方法測(cè)量消光系數(shù)計(jì)算得出。

2.2 結(jié)構(gòu)

由于目前通用的前向散射式能見(jiàn)度測(cè)量范圍能達(dá)到幾十千米，為了達(dá)到測(cè)量指標(biāo)，重點(diǎn)關(guān)注低能見(jiàn)度的數(shù)值，由于低能見(jiàn)度時(shí)大氣顆粒物增多，所以只需檢測(cè)很小的一塊區(qū)域，就可以判斷出此區(qū)域能見(jiàn)度大小，因此可以把設(shè)備做得比較小巧，并且不影響檢測(cè)精度與靈敏度。能見(jiàn)度結(jié)構(gòu)如圖1所示。能見(jiàn)度檢測(cè)主要由發(fā)射模塊、接收模塊、電源模塊、處理模塊、通訊模塊組成。

發(fā)射鏡筒中有一個(gè)凸透鏡，主要把發(fā)射的紅外光變成平行光發(fā)射出去。接收鏡筒由三片鏡片組成，散射的紅外線進(jìn)入接收端后，先進(jìn)入一個(gè)雙凸透鏡，然后進(jìn)入一個(gè)凹凸透鏡，然后通過(guò)一個(gè)濾光片進(jìn)入接收燈。為了保證設(shè)備性能的一致性，此設(shè)備結(jié)構(gòu)為一體成型，每臺(tái)設(shè)備的光路都在一樣的位置與角度。

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)

3.1 發(fā)射部分

能見(jiàn)度發(fā)射部分原理與電路如圖2所示。

發(fā)射部分主要由1個(gè)光電發(fā)射燈、1個(gè)三端穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器、1個(gè)三極管及1個(gè)鏡筒組成。為了保證發(fā)射燈發(fā)送的紅外信號(hào)能量穩(wěn)定，在發(fā)射燈前端加上1個(gè)三端穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器和1個(gè)超級(jí)電容;利用ARM輸出的脈沖信號(hào)控制三極管的導(dǎo)通與截止，使發(fā)射燈能夠輸出恒定的紅外脈沖信號(hào)。

發(fā)射部分示波器圖像如圖3所示，可以看出，在加裝超級(jí)電容后，光電發(fā)射燈截止非常迅速。

3.2 接收部分

能見(jiàn)度接收部分原理與電路如圖4所示。

由于光電接收燈接收到的脈沖信號(hào)是mV級(jí)的電壓信號(hào)，為了減小放大電路中噪聲的干擾，只采用一級(jí)放大電路，可以減少信號(hào)在放大過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多的干擾信號(hào);在發(fā)射端對(duì)光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制，使有用信號(hào)具備一些干擾信號(hào)所沒(méi)有的理特性[3]，采用的AD轉(zhuǎn)換是一個(gè)18位的高速AD轉(zhuǎn)換芯片，采樣率為100 kSPS，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.5 μs，可以區(qū)分mV級(jí)的電壓信號(hào)，可以把接收到的電壓信號(hào)更加準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

3.3 處理部分

能見(jiàn)度處理部分電路如圖5所示。

能見(jiàn)度處理部分主要由處理模塊和存儲(chǔ)模塊組成，接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理，異常值剔除，對(duì)信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，并把處理過(guò)的能見(jiàn)度值輸出至通訊部分。

3.4 通訊部分

由于設(shè)備在高速公路上安裝，通常采用無(wú)線模塊傳輸信號(hào)，在有光纖信號(hào)的情況下，可以采用光纖傳輸。此設(shè)備把通訊模塊集成到傳感器內(nèi)部，減小了安裝的復(fù)雜性，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性與可靠性。

3.5 標(biāo)定算法

設(shè)備主要測(cè)量的是低能見(jiàn)度，為了更準(zhǔn)確測(cè)定能見(jiàn)度，采用多段標(biāo)定的算法，把測(cè)量范圍分為多段，每段通過(guò)不同標(biāo)定段的標(biāo)定版標(biāo)定參數(shù)，確保測(cè)量的一致性與準(zhǔn)確性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

CHI為同步信號(hào)，CH2為放大器輸出端。15 m、100m、330 m、500 m能見(jiàn)度情況下示波器通過(guò)放大器輸出的信號(hào)大小如圖6-圖9所示。

由以上圖像可以得出，隨著能見(jiàn)度逐步升高，接收管接收到的紅外信號(hào)逐漸降低，且在一個(gè)脈沖周期內(nèi)變化穩(wěn)定，能夠反映出能見(jiàn)度的變化趨勢(shì)。樣機(jī)與Vaisala公司的PWD22能見(jiàn)度進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。低能見(jiàn)度情況下反應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。因?yàn)閳F(tuán)霧往往是突然出現(xiàn)的，為了測(cè)定能見(jiàn)度儀的靈敏度，用人造煙霧的方法經(jīng)過(guò)測(cè)試，能見(jiàn)度在10 s內(nèi)數(shù)值直接下降到lOm，如圖10-圖12所示。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，得出此種方法檢測(cè)的低能見(jiàn)度數(shù)值反應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)可靠，能夠及時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)能見(jiàn)度的變化趨勢(shì)，為高速公路及時(shí)提供預(yù)警信息。

參考文獻(xiàn)：

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[2]冶林茂，王道遠(yuǎn)，王艷斌，等.雙通道能見(jiàn)度自動(dòng)測(cè)量?jī)x研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2012，35（2）：83-86.

[3]李夢(mèng)麟，段發(fā)階，歐陽(yáng)濤，等.前向散射式能見(jiàn)度測(cè)量技術(shù)研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21（7）：1281-1285.