一种透射式能见度标准器测量系统的制作方法

本发明涉及用于国内外散射式/透射式能见度测量仪器，尤其是涉及一种透射式能见度标准器测量系统。

背景技术：

气象和机场能见度测量的设备主要包括透射式和散射式能见度设备。透射式能见度设备通过测量固定长度空气透过率，推导能见度。散射式能见度设备通过测量局部采样空间的消光系数反演能见度，并且散射式能见度设备计算能见度值建立在三个假设前提下：(1)假设大气是均质的；(2)假设分子的散射、吸收和内部交互光学效应为0；(3)假设散射光强正比于散射系数。散射式能见度设备体积小，安装方便，但是受阳光噪声、沙尘等颗粒物的影响大，准确性和不同产品间的一致性差，如图1所示，来自不同厂家生产的散射式能见度设备在同一大气环境下的观测值存在差异，根本原因是没有统一的溯源标准，导致不同型号的能见度设备观测值有较大的差异。急需要一台高精度的能见度设备来校准这些存在观测差异的散射式能见度设备，来确定不同大气环境下，不同散射式能见度设备的适用性问题。

透射式能见度设备是较早实用新型的能见度测量设备器，虽然体积大，但是较散射式能见度设备更稳定和准确，被广泛应用于机场的能见度自动观测系统的rvr测量。透射式能见度设备虽较散射式能见度设备展现了良好的观测性能，但在实际应用中，透射式能见度设备同样存在因溯源标准不统一导致不同型号存在观测差异的问题。另外，目前市面存在的透射式能见度设备一般为30米、50米甚至100米的长基线，这种长基线容易增大观测过程中的误差，降低透射式能见度设备的测量精度，达不到溯源标定的高精度测量标准。

技术实现要素：

针对以上现有技术状况，本发明设计一种透射式能见度标准器测量系统，即设计一种短基线高精度测量的能见度透射设备来解决不同生产厂家由于标定标准不一致导致的散射式/透射式能见度设备观测值的差异问题；在确定不同大气环境下，解决散射式/透射式能见度设备的适用性问题。

本发明采取的技术方案是：一种透射式能见度标准器测量系统，其特征在于：所述系统包括发射端、接收端、测试端和pc机；所述发射端包括激光器、分光镜、第一功率计、扩束镜、第一控制电路及合作反射面；其中，第一控制电路分别连接激光器和第一功率计用于发射端出激光功率pt测量，第一控制电路通过串口uart1t接至pc机用于发射端数据通讯；其中，激光器发射的激光通过分光镜分为两路，分别进入到第一功率计和扩束镜，以此实现发射端出激光功率pt测量；所述接收端包括汇聚镜、第二功率计、测距仪以及第二控制电路；其中，第二控制电路分别连接测距仪和第二功率计，分别用于标准器的基线长度测量和接收端入射激光功率pr测量，第二控制电路经串口uart1r接至pc机用于接收端数据通讯；其中，汇聚镜将接收的激光汇聚到第二功率计，以此实现接收端入射激光功率pr测量；所述接收端固定在一个三维调整架，用于精确调整接收端姿态，对齐发射端和接收端的视场；所述标准器的基线长度为10cm和10m。

本发明在进行功率计校准时，所述标准器的测试端位于标准器发射端的扩束镜和标准器接收端的汇聚镜之间，其中，测试端放置一个校准功率计，校准功率计接至pc机实现发射端和接收端的功率计校准和光学系统透过率测量；所述标准器的基线长度调整为10cm。

本发明在进行透射率标定时，所述标准器的测试端在标准器发射端和标准器接收端之间，其中，测试端放置一个衰减片黑盒；衰减片黑盒的端面上设置衰减片孔位，左右两侧分别设置光进口和光出口；衰减片黑盒的光进口和光出口与标准器发射端的扩束镜、标准器接收端的汇聚镜三者光轴在同一水平面上；所述系统的基线长度调整为10cm。

本发明在进行能见度溯源时，所述标准器的测试端在标准器发射端的扩束镜和标准器接收端的汇聚镜之间，其中，测试端注入不同透过率的气溶胶；所述系统的基线长度调整为10m。

所述的第一控制电路包括热敏电阻rt1和热敏电阻rt2、第一运算放大器、第一模拟数字转换器、第一微控制器、第一方波驱动单元和第一供电电路；其中，热敏电阻rt1和热敏电阻rt2分别与第一运算放大器连接，用于将检测的激光器温度及发射端环境温度转换为电压；第一运算放大器与第一模拟数字转换器连接，用于将电压转换为数字编码；第一模拟数字转换器与第一微控制器连接，用于将数字编码送入第一微控制器；第一微控制器通过串口uart1t与pc机连接，接收pc机的控制命令，并分别通过串口uart2t、串口uart3t转发到激光器和第一功率计；第一微控制器分别通过串口uart2t、串口uart3t接收激光器和第一功率计的查询结果，并通过串口uart1t转发给pc机；第一微控制器通过第一方波驱动单元连接外部风扇，第一方波驱动单元为功率放大电路，用于接收第一微控制器输入的方波信号并将方波信号功率放大以驱动外部风扇，给系统降温。

所述的第二控制电路包括热敏电阻rt3和热敏电阻rt4、第二运算放大器、第二模拟数字转换器、第二微控制器、第二方波驱动单元和第二供电电路；其中，热敏电阻rt3和热敏电阻rt4分别与第二运算放大器连接，用于将检测的汇聚镜头温度及接收端环境温度转换为电压；第二运算放大器与第二模拟数字转换器连接，用于将电压转换为数字编码；第二模拟数字转换器与第二微控制器连接，用于将数字编码送入第二微控制器；第二微控制器通过串口uart1r与pc机连接，接收pc机的控制命令，并分别通过串口uart2r、串口uart3r转发到测距仪和第二功率计；第二微控制器分别通过串口uart2r、串口uart3r接收测距仪和第二功率计的查询结果，并通过串口uart1r转发给pc机；第二微控制器通过第二方波驱动单元连接外部风扇，第二方波驱动单元为功率放大电路，用于接收第二微控制器输入的方波信号并将方波信号功率放大以驱动外部风扇，给系统降温。

本发明产生的有益效果是：本发明将衰减片引入标定系统，建立了衰减片-透射率-能见度对应关系，提出了一种基于衰减片溯源的透射式能见度测量系统，有效的解决了能见度测量设备无法溯源的问题。该设备同时具有精度高、稳定性好、可长时间连续测量、校准便捷等优点。

附图说明

图1为来自不同厂家生产的散射式能见度设备的观测值存在差异示意图；

图2为本发明系统结构示意图；

图3为图2中第一控制电路内部结构示意图；

图4为图2中第二控制电路内部结构示意图；

图5为本发明的衰减片黑盒结构示意图；

图6为本发明的功率计校准原理示意图；

图7为本发明的透射率标定原理示意图；

图8为本发明的能见度溯源原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，来自不同厂家生产的散射式能见度设备在同一大气环境下的观测值存在差异。这是因为散射式能见度设备的测量原理为：通过测量局部采样空间的消光系数反演能见度，该原理建立在以下假设下：(1)假设大气是均质的；(2)假设分子的散射、吸收和内部交互光学效应为0；(3)假设散射光强正比于散射系数。这导致散射式能见度设备受阳光噪声、沙尘等颗粒物的影响大，准确性和不同产品间的一致性差。

如图2所示，标准器测量系统包括发射端、接收端、测试端和pc机；发射端包括激光器、分光镜、第一功率计、扩束镜、第一控制电路及合作反射面；其中，第一控制电路分别连接激光器和第一功率计用于发射端出激光功率pt测量，第一控制电路通过串口uart1t接至pc机用于发射端数据通讯；其中，激光器发射的激光通过分光镜分为两路，分别进入到第一功率计和扩束镜，以此实现发射端出激光功率pt测量；所述接收端包括汇聚镜、第二功率计、测距仪以及第二控制电路；其中，第二控制电路分别连接测距仪和第二功率计，分别用于标准器的基线长度测量和接收端入射激光功率pr测量，第二控制电路经串口uart1r接至pc机用于接收端数据通讯；其中，汇聚镜将接收的激光汇聚到第二功率计，以此实现接收端入射激光功率pr测量；所述接收端固定在一个三维调整架，用于精确调整接收端姿态，对齐发射端和接收端的视场；所述标准器的基线长度调整为10cm和10m。

如图3所示，第一控制电路包括热敏电阻rt1和热敏电阻rt2、第一运算放大器、第一模拟数字转换器、第一微控制器、第一方波驱动单元和第一供电电路；其中，热敏电阻rt1和热敏电阻rt2分别与第一运算放大器连接，用于将检测的激光器温度及发射端环境温度转换为电压；第一运算放大器与第一模拟数字转换器连接，用于将电压转换为数字编码；第一模拟数字转换器与第一微控制器连接，用于将数字编码送入第一微控制器；第一微控制器通过串口uart1t与pc机连接，接收pc机的控制命令，并分别通过串口uart2t、串口uart3t转发到激光器和第一功率计；第一微控制器分别通过串口uart2t、串口uart3t接收激光器和第一功率计的查询结果，并通过串口uart1t转发给pc机；第一微控制器通过第一方波驱动单元连接外部风扇，第一方波驱动单元为功率放大电路，用于接收第一微控制器输入的方波信号并将方波信号功率放大以驱动外部风扇，给系统降温。

如图4所示，第二控制电路包括热敏电阻rt3和热敏电阻rt4、第二运算放大器、第二模拟数字转换器、第二微控制器、第二方波驱动单元和第二供电电路；其中，热敏电阻rt3和热敏电阻rt4分别与第二运算放大器连接，用于将检测的汇聚镜头温度及接收端环境温度转换为电压；第二运算放大器与第二模拟数字转换器连接，用于将电压转换为数字编码；第二模拟数字转换器与第二微控制器连接，用于将数字编码送入第二微控制器；第二微控制器通过串口uart1r与pc机连接，接收pc机的控制命令，并分别通过串口uart2r、串口uart3r转发到测距仪和第二功率计；第二微控制器分别通过串口uart2r、串口uart3r接收测距仪和第二功率计的查询结果，并通过串口uart1r转发给pc机；第二微控制器通过第二方波驱动单元连接外部风扇，第二方波驱动单元为功率放大电路，用于接收第二微控制器输入的方波信号并将方波信号功率放大以驱动外部风扇，给系统降温。

如图6所示，在进行功率计校准时，标准器的测试端在标准器发射端的扩束镜和标准器接收端的汇聚镜之间，其中，测试端放置一个校准功率计，校准功率计接至pc机实现发射端和接收端的功率计校准和光学系统透过率测量；所述标准器的基线长度调整为10cm。

如图5、图7所示，在进行透射率标定时，所述标准器的测试端在标准器发射端和标准器接收端之间，其中，测试端放置一个衰减片黑盒；衰减片黑盒的端面上设置衰减片孔位1，左右两侧分别设置光进口2和光出口3；衰减片黑盒的光进口和光出口与标准器发射端的扩束镜、标准器接收端的汇聚镜三者光轴在同一水平面上；系统的基线长度调整为10cm。

如图8所示，本发明在进行能见度溯源时，标准器的测试端在标准器发射端的扩束镜和标准器接收端的汇聚镜之间，其中，测试端注入不同透过率的气溶胶；系统的基线长度调整为10m。

标准器设计原理及功能作用如下：

1、标准器发射端

如图2所示，标准器发射端分为光路和电路两个部分。

光路部分工作流程如下：

激光器为系统光源，工作波长为532nm，线宽小于1nm，能够发射连续性激光。此532nm的激光进入分光镜后，被分光镜一分为二。因为分光镜分光比为1∶τ0，此532nm的激光，功率占比为的激光进入标准器发射端的第一功率计，第一功率计给出此部分激光功率测量值ptm。此第一功率计为测量连续激光的平均功率计，能够探测532nm的激光，最大功率测量值≥100mw，常见功率计厂家为ophir，newport，coherent等公司。另外一部分功率占比为的激光进入扩束镜，经过扩束镜后，出射到空气中的发射端激光出射功率为pt。扩束镜的作用是将这部分激光视场压缩成≤1mrad的平行光。由于扩束镜的透过率τt小于1，所以需要利用校准功率计测量扩束镜透过率τt的准确数值。

如果激光器为脉冲激光器，标准器中所有的功率计则采用脉冲功能量计，涉及的功率测量结果为脉冲激光的能量测试结果。

标准器发射端的合作反射面的作用为：1)反射标准器接收端测距仪发射的测距激光，协助测距仪测量精确的基线长度；2)当基线长度为10m时，作为发射和接收光轴粗略对准的参考。

发射端电路部分工作流程如下：

pc机通过串口uart1t发送控制命令给第一控制电路，第一控制电路识别命令属于激光器还是第一功率计，并通过串口uart2t转发给激光器，通过串口uart3t转发给第一功率计；激光器或第一功率计识别控制命令后，将执行结果通过串口uart2t或者串口uart3t，发送给第一控制电路，第一控制电路通过串口uart1t将此查询结果再转发给pc机。pc机通过串口uart1t发送查询命令给第一控制电路，第一控制电路识别命令通过串口uart3t转发给第一功率计；第一功率计识别查询命令后，将查询结果通过串口uart3t，发送给第一控制电路，第一控制电路通过串口uart1t将此查询结果再转发给pc机。

2、标准器接收端

如图2所示，标准器接收端分为光路、电路和结构三个部分。

光路部分工作流程如下：

激光功率pt经过透过率为τm气溶胶或者透过率为τa衰减片后，功率下降，到达接收端汇聚镜头前变为pr，pr为接收端入射激光功率。pr经过透过率为τr的汇聚镜头，被接收端的第二功率计测量，得到功率测量值prm。测距仪发射633nm正弦波激光，照射到发射端的合作反射面上，合作反射面将这个正弦波激光反射，被反射的正弦波激光再次入射测距仪内部。测距仪完成这个正弦波激光飞行时间测量，并计算出系统发射端和接收端的基线长度准确值。

电路部分工作流程如下：

pc机通过串口uart1r发送控制命令给第二控制电路，第二控制电路识别命令属于激光器还是功率计，并通过uart2r转发给测距仪，通过串口uart3r转发给第二功率计；测距仪或第二功率计识别控制命令后，将执行结果通过串口uart2r或者串口uart3r发送给第二控制电路，第二控制电路通过串口uart1r将此查询结果再转发给pc机。pc机通过串口uart1r发送查询命令给第二控制电路，第二控制电路识别命令属于测距仪还是功率计，通过串口uart2r转发给测距仪，通过串口uart3r转发给第二功率计；测距仪或第二功率计识别查询命令后，将查询结果通过串口uart2r或者串口uart3r发送给第二控制电路，第二控制电路通过串口uart1r将此查询结果再转发给pc机。

结构部分工作流程如下：

当系统基线长度为10cm或者10m时，调整三维调整架，使得发射端的光轴与接收端的光轴能够精确对齐，接收端第二功率计显示的数值最大。

3、校准功率计

如图6所示，标准器使用校准功率计校准发射端和接收端的功率计。测试端在标准器发射端的扩束镜和标准器接收端的汇聚镜之间，此时测试端放置校准功率计，测量图6中发射端出射激光功率pt1和pt2。pc机通过串口uart4发送控制命令给校准功率计；校准功率计接收控制命令配置自身参数。pc机通过串口uart4发送查询命令给校准功率计；校准功率计接收到查询命令后，将查询结果通过串口uart4发送给pc机。

4、控制电路

如图3、图4所示，第一、第二控制电路基本相同。第一控制电路的热敏电阻rt1附着在激光器表体，用于检测激光器的温度；热敏电阻rt2附着于结构件表体，用于检测系统工作环境温度。第二控制电路的热敏电阻rt3附着于接收端汇聚镜头内，用于检测汇聚镜头的温度；热敏电阻rt4附着于结构件表体，用于检测系统工作环境温度。热敏电阻rt1、热敏电阻rt2、热敏电阻rt3、热敏电阻rt4要满足精度≤0.5℃，使用范围为-45℃到+85℃。

微控制器有两个功能：串口通讯和温度检测，型号为stm32f103rct6。

1)微控制器通过串口uart1、串口uart2、串口uart3与外界连接和通讯，转发相关信息。

2)微控制器接收模拟数字转换器的数据，分别计算热敏电阻rt1、热敏电阻rt2、热敏电阻rt3、热敏电阻rt4上的温度。如果热敏电阻rt1上的发射端激光器温度超过规定阈值，则通过第一方波驱动单元启动风扇，给激光器散热。将第二模拟数字转换器输入的汇聚镜头上热敏电阻rt3的温度数据，通过串口uart1r汇报给pc机。pc机接收到这个温度数据后，补偿因为温度变化对接收端汇聚镜头透过率τr的影响。如果热敏电阻rt2和热敏电阻rt4上的发射端和接收端的系统工作环境温度超过规定值，则提醒用户开空调，调整系统工作温度。方波驱动单元为功率放大电路。它接收微控制器输入的方波信号，并将这个方波信号功率放大，以驱动外部风扇，给系统降温。

供电电路接收外部输入的12v供电，并将12v转换为5v，3.3v供控制电路各芯片使用。

5、衰减片

衰减片放置于图5中的衰减片放置孔位1中。测试端在标准器发射端的扩束镜和标准器接收端的汇聚镜之间，测试测试端放置衰减片黑盒，如图7所示。当发射端出射光pt3通过进光口进入衰减片黑盒后，便会通过衰减片，且功率降降低，经过出光口3输出，最后到达图7中的接收端汇聚镜头前，接收端入射激光功率pr3。衰减片出厂时，厂家会测定它的透过率τa，本发明以τa作为真值。在衰减片黑盒中放入不同透过率的衰减片，建立透过率真值τa和图7中系统透过率测量值τm的对应关系。

6、气溶胶

标准器正常工作时，测试端在标准器发射端的扩束镜和标准器接收端的汇聚镜之间，其中，测试端注入不同透过率的气溶胶，如图8所示。通过测量气溶胶的透过率τm，能够推导出气溶胶能见度，由此便建立了透过率真值τa、气溶胶透过率测量值τm和气溶胶能见度rv的朔源关系。

7、pc机

pc机通过串口uart1t发送控制命令和查询命令给发射端；通过uart1r发送控制命令和查询命令给接收端；通过uart4发送控制命令和查询命令给校准功率计。pc机根据接收到发射端和接收端功率计测量结果，计算相应的透过率，并按照公式(1)计算能见度rv。

标准器使用方法如下：

在实施如下使用方法时，pc放置与气溶胶仓外，方便使用者操作和观察测量结果；标准器的剩余部分，均位于气溶胶仓内部。

(1)功率计校准

标准器每次工作前，首先进行校准和标定，因为同一型号的不同功率计相互间存在一定固有误差。因此，如果将两个功率计向同一个功率计靠齐，如图6所示，那么它们对同一束光的测量固有误差就会消除。

校准时，首先将基线调整为10cm，对准发射端和接收端光轴，并保证测试环境黑暗，气溶胶仓内能见度＞10km。此时图6中激光在10cm的基线内传输时，透过率可近似为1，因此pr1＝pt1，pr2＝pt2。

将校准功率计放置于测试端的发射端扩束镜头前，设置激光器发射两个不同功率的激光。多次记录校准功率计的测量值pt1和pt2，发射端功率计的测量值ptm1和ptm2。假设pt和ptm为一阶线性关系，利用点坐标为(ptm1，pt1)和点坐标为(ptm2，pt2)的两点，可以求出此一阶线性方程。方程的参数包含着图2、图5、图6、图7中的τ0和τt，同时消除了发射端功率计与校准功率计间的固有误差。

去掉发射端校准功率计，让发射端出射激光直接进入接收端汇聚镜头。因为此时基线为10cm，透过率可以视为1，pt1＝pr1，pt2＝pr2。让激光器发射与上述相同的两种不同功率的激光，得到接收端功率计测量值prm1和prm2。利用点坐标为(prm1，pr1)和点坐标为(prm2，pr2)的两点，可以求出pr与prm的一阶线性方程。方程的参数包含着图2、图5、图6、图7中的τr，同时消除了发射端功率计与校准功率计间的固有误差。

(2)透射率标定

用衰减片黑盒，替换测试端的校准功率计，保持基线为10cm不变，如图7所示，并将衰减片放置于图5所示的衰减片放置孔位1中。设置激光器发射第三种功率的激光，且ptm1＜ptm3＜ptm2。通过测量ptm3和prm3，可以得到pt3和pr3，τm＝pr3/pt3。

更换黑盒中衰减片，以此改变衰减片的透过率τa，标准器通过测量衰减片的透过率，得到不同透过率测量值τm。由此，建立τa和τm的对应关系。

(3)能见度溯源

首先将基线长度定位到10m左右，去掉衰减片黑盒和衰减片，对准发射端和接收端的光轴，并且通过测距仪测量发射端和接收端的基线精确值l，如图8所示。

其次，在能见度仓中制造气溶胶，改变气溶胶浓度。通过测量气溶胶的透过率τm，便建立了透过率真值τa的关系，设定τm＝k*τa。气溶胶透过率测量值τm和气溶胶能见度rv的计算关系如公式(1)所示。由此，系统溯源了透过率真值τa、气溶胶的透过率τm和气溶胶能见度rv三者的对应关系。