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专利名称：透射式能见度测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型设计一种光辐射接收和测量装置，特别是一种透射式大气能见度测量装置， 属于光辐射能量在大气中传播时消光系数测量及自动跟踪装置。
二背景技术：
大气能见度在大气激光通信、图象传输和现代交通技术中产生着重要影响。能见度测量 也一直受到人们的关注，随着现代交通网络的发展，特别是高速公路、水运和航空业的发展， 需要对大气能见度进行实时监测，能见度的测量也愈显重要。能见度的测量依赖于光束消光 系数的测量。典型的测量方法有前向散射法和透射法两类。前向散射法选择大气吸收微弱的 近红外光，在与探测光束传播方向成35°方向，测量角散射系数，再按一定的大气光学模式 计算总散射系数，并根据Koschmieder定律确定能见度，此法的测量误差决定于总散射系数 的测量。在现有的前向散射法装置中，对总散射系数测量误差的主要决定因素如下光学模 式的影响、散射探测光束发散角的影响、背景辐射干扰和散射辐射产生的背景干扰及测试装 置结构热形变的影响等。这些装置在测量35。散射角处的散射系数时，光接收部件收集到的 入射光束并非严格定义下的平行光束，而是分布在较大锥角内的光束，由此得到的散射系数 比实际的该方向的散射系数大。透射法虽然是最为准确的一种方法，但由于光束的发射和测 量相隔异处，且间隔较远，因大气扰动或测量装置的振动、地形变化等原因致使光斑在光电 探测器接收面上漂移，使得探测光束在传播路径上的衰减系数测量不准，甚至导致测量失败。
三、 发明内容
本实用新型的目的在于提供一种长期可靠性高、能准确测量能见度的透射式大气能见度 测量装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的
一种透射式大气能见度测量装置，它包括发射部分和探测部分，探测部分包括接收单元、 光电信号处理单元，数据采集单元和计算机控制单元，所述接收单元采用四象限光电探测器， 每一象限探测的光束均设有光电信号处理单元，各光电信号处理单元输出的信号经数据采集 单元送入计算机控制单元；由计算机控制单元控制四象限探测器的中心坐标。
四象限光电探测器设有保持其特性参数不随环境温度变化的半导体温度控制电路。所述四象限光电探测器的安装底座上设有X轴和Y轴平移台，X轴和Y轴平移台分别连 接一台步进电机，两台步进电机分别连接计算机控制单元。
光电信号处理单元包括前置放大器、带通滤波电路和精密有效值转换电路。数据采集 单元采用多路同步取样电路。四个象限的光束经各自的光电信号处理单元处理后，再由多路 同步取样电路送入计算机控制单元。
本实用新型相比现有技术具有如下优点
本实用新型采用四象限探测光束自动跟踪技术，跟踪探测光束和测量探测光束功率或强 度使用同一个探测器，保证探测器精确对准探测光束，能有效抑制探测光束漂移产生的影响。 保证光斑在探测器接收面上的位置基本不变，解决了多年来存在的光斑漂移对能见度测量的 影响问题，能够较为准确地测量所述衰减系数。另一个显著优点是，对探测器采取温度控制 措施，抑制了环境温度的影响，提高了长期可靠性。对激光器采用温度控制技术，使输出激 光波长稳定，避免探测光波长不稳对测量的影响。
本实用新型的方法用四象限光电探测器每象限探测到的光功率之和表示透射式大气能见 度探测光束的透射光功率，优点是利用单光路同时实现测量和跟踪，因而光路系统简单，测 试系统长期可靠性高。
四

图1为透射式能见度测量仪的结构框图； 图2为实施例的发射部分总成结构示意图； 图3为实施例的探测部分总成结构示意图； 图4本实用新型四象限光信号处理系统原理图； 图5为本实用新型四象限探测的原理框图。
图中a-安装基座；b-支柱；C-发射总成；d-激光束；e-探测总成；f-支柱；g-控制器
箱；h-安装基座。
l-激光器驱动电源；2-半导体激光器；3-准直器；4-探测光束；5-凸透镜；6-四象限光 电探测器；7-固定凸透镜的金属圆筒；8-安装基板；9-X轴平移台；10-X轴平移步进电机； ll-Y轴平移台；12-Y轴平移步进电机；13-数据采集单元；14-步进电机驱动电路；15_步进
电机驱动电路；16-计算机控制单元；17-数据传输接口； 18-半导体温度控制电路。 21-24前置放大器；31-34带通滤波器；41-44乘法器与兀型滤波组合。
五具体实施方式
如图l、图2、图3所示，本实用新型的透射式大气能见度测量装置，它包括发射部分和 探测部分，探测部分包括接收单元、光电信号处理单元，数据采集单元13和计算机控制单元 16，接收单元采用四象限光电探测器6，即对会聚后的光束分四路进行采样，从方位上按四 个象限划分，并将探测的光束分四路输出，每一路输出的光束均分别输入各自的光电信号处
理单元，经各光电信号处理单元输出的信号经数据采集单元送入计算机控制单元16处理；由
计算机控制单元16控制四个象限光电探测器6的中心坐标。
光电信号处理单元包括前置放大器21、 22、 23、 24，带通滤波电路31、 32、 33、 34 和精密乘法器与7i型滤波组合41、 42、 43、 44。数据采集单元13包括多路同步取样电路和 A/D转换器。
发射部分包括半导体激光器2、激光器驱动电源1。激光器驱动电源1设置有激光器温度 控制电路、光功率调制电路和光功率稳定电路，保证激光器发出光波长和功率不随环境的变 化而变化，并且有效抑制环境光变化对测量的影响。
接收单元包括激光束准直系统、激光接收探头。其中半导体激光器2与激光器驱动电源 1连接，激光束准直器3由消像差光学透镜组构成，准直器3置于激光器输出端，经过准直 后激光束传播一定距离到达激光接收探头，接收探头由一个固定凸透镜的金属圆筒7和一个 凸透镜5、四象限光电探测器6和带半导体温度控制电路的安装基板8组成，凸透镜5位于 接收探头的前端，激光束经过凸透镜5会聚在四象限光电探测器6上，四象限光电探测器6 位于接收探头后端；四象限光电探测器6安装在设置有半导体温度控制器的基板8上，保证 四象限光电探测器6的光电转换特性参数不随环境温度变化。四象限光电探测器的半导体温 度控制电路18与计算机控制单元16连接。
四象限光电探测器6将探测光束分为四个探测单元，每个探测单元分别与各自的光电信 号处理单元的前置放大器21、 22、 23、 24连接。
四象限光电探测器6的安装基板8设置在X轴和Y轴平移台上，即X轴平移台9和Y轴 平移台ll作为跟踪部件，X轴和Y轴平移台分别连接一台步进电机，即X轴平移步进电机IO 和Y轴平移步进电机12。两台步进电机分别设有步进电机驱动电路，并通过计算机控制单元 16控制两步进电机的沿X轴和Y轴运动，从而控制四象限光电探测器6的中心坐标的调整， 完成对光斑的跟踪控制。
本实用新型的工作过程
如图4、图5所示，本实用新型的半导体激光器2在驱动电源的驱动下发射出频率1. 0 kHz 光脉冲序列，经光束准直器3后，成为平行光束，传播规定的距离后，到达光接收单无的凸 透镜5,会聚到四象限光电探测器6的表面，四象限光电探测器6将光束分成四部分，即一象限，二象限，三象限，四象限。每一象限为一个光电探测单元，将接收到的光信号转換为 电信号，各象限探测单元输出的光电信号经过各自的前置放大器21、 22、 23、 24、带通滤波 器31、 32、 33、 34及乘法器与兀型滤波组合41、 42、 43、 44被转换为直流电压信号，其大 小与各自探测单元接收到的光功率成正比，计算机控制单元12通过多路同步取样电路11和 A/D转换器分别获得四象限光电探测器各路光信号的平均功率，根据发射光功率，按下面的 式(7)、 (4)和(1)或(2)或(3)计算能见度；按式(8)和式(9)计算光斑中心在四象 限光电探测器6上的坐标，控制步进电机驱动器13、 14工作，X轴平移步进电机7和Y轴平 移步进电机9，使X轴平移台8和Y轴平移台IO移动，调整四象限光电探测器6的方位，实 现二维控制。
本实用新型的工作原理
以气象视距表示能见度，按地面观测规范之规定，当远处目标物-背景对比度下降为近处 对比度的0.02时，所对应的距离定义为能见度，它由Koschmieder定律给出
3 912
、
其中/^是大气对波长为550nm单色光的消光系数。在以其他波长义的单色光作为探测光时， 式(1)应改写为
D 3.912 f 0.55、"
(2)
kct 、义
式(2)为超越方程，只能获得数值解。能见度的测量精度依赖于/^和波长的测量精度，实
际测量中波长的测量精度比消光系数的测量精度高的多。
在航空领域，为了保证航空器的安全，定义目标物-背景对比度下降为近处对比度的0.05 时，所对应的距离为能见度
<formula>formula see original document page 6</formula>
以波长确定的平行激光束作为探测光束，测定其传输一定距离后的透过率t，根据朗伯-比尔定律确定探测光束穿过区域大气的消光系数/^。探测光发射器输出的激光功率为/。，光
接收器接收的光功率为乙，待测消光系数为
<formula>formula see original document page 6</formula>
(4)
在本实用新型中用四象限光电探测器接收探测光束，探测光束经过聚光透镜后投射在四象限光电探测器面上的光斑直径约为探测器直径的二分之一，对应每一象限设置一个光电信 号处理单元通道，每一象限所连接的前置放大、光电信号处理单元的性能参数一样，如图4 所示。四个通道各自输出的直流电压信号w,与该通道对应象限光功率成正比，
(5)
由于各电子线路通道性能参数相同，即^ =《2 =《3 = & = -，计算机系统对四路信号同步 采样，并对所得电压信号求和得
(6)
,=1
到达光接收器的总光功率为<formula>formula see original document page 7</formula>
其中^光接收器聚光透镜的透过率，f为四象限光电探测器分划线对透射到四象限光电 探测器表面光斑面积有效因子。测定发射光功率和接收光功率，利用式(7)、 (4)和(1)或 (2)或(3)计算能见度。
本实用新型的另一个重要方面，是计算机控制单元根据多路同步取样获得的四象限光电 探测器四个通道的光功率按下式计算光斑中心在探测器上的位置坐标
y—"[(/fil+/fi2) —C^3+/fi4)] (9)
其中a是探测器接收的光功率与光斑中心坐标之间的转换系数。计算机控制单元根据坐 标值大小控制步进电机驱动器工作，使二维平移台移动，直至光斑中心与四象限光电探测器 分划线交点几乎重合，实现探测器对光束的自动对准跟踪。
权利要求1、一种透射式大气能见度测量装置，它包括发射部分和探测部分，探测部分包括接收单元、光电信号处理单元、数据采集单元和计算机控制单元，其特征是所述接收单元采用四象限光电探测器，每一象限探测的光束均设有光电信号处理单元，各光电信号处理单元输出的信号经数据采集单元送入计算机控制单元，由计算机控制单元控制四象限光电探测器的中心坐标。
2、 根据权利要求1所述的透射式大气能见度测量装置，其特征是四象限光电探测器设 有保持其特性参数不随环境温度变化的半导体温度控制电路。
3、 根据权利要求1所述的透射式大气能见度测量装置，其特征是所述四象限光电探测 器的安装底座上设有X轴和Y轴平移台，X轴和Y轴平移台分别连接一台步进电机，两台步 进电机分别连接计算机控制单元。
4、 根据权利要求1所述的透射式大气能见度测量装置，其特征是所述光电信号处理单 元包括前置放大器、带通滤波电路和有效值转换电路。
5、 根据权利要求l所述的透射式大气能见度测量装置，其特征是数据采集单元采用多 路同步取样电路。
专利摘要本实用新型提供一种长期可靠性高、能准确测量能见度的透射式大气能见度测量装置。该透射式大气能见度测量装置包括发射部分和探测部分，探测部分包括接收单元、光电信号处理单元、数据采集单元和计算机控制单元，所述接收单元采用四象限光电探测器，每一象限探测的光束均设有光电信号处理单元，各光电信号处理单元输出的信号经数据采集单元送入计算机控制单元，由计算机控制单元控制四象限光电探测器的中心坐标。
文档编号G01N21/59GK201382898SQ200920041760
公开日2010年1月13日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者夏江涛, 肖韶荣, 薛鸣方, 静 赵 申请人:南京信息工程大学;江苏省无线电科学研究所有限公司