专利名称：利用白光测量能见度和大气消光系数的仪器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于大气物理测量领域，涉及到利用白光测量大气消光系数和气象能见度的一种仪器。
背景技术：
对大气消光系数和能见度的测量，也就是对大气中悬浮的水汽物、气溶胶粒子的吸收和散射特性的测量。由于天气现象的多样性和粒子各种成份形状的复杂性，选用不同的波长光束在测量它们当中，传输吸收和散射是不一样的，世界气象组织为了摆脱能见度受主观的和物理的因素的影响，采用了基本的气象量，即大气透明度。可以客观地测量，并用气象光学视程(MOR)表示。因此详尽探讨和发展符合MOR新的测量仪器是完全必要的。
目前，公知的能见度测量仪所采用的测量手段都不能完整描述气象光学视程(MOR)甚至会产生很大测量误差，例如红外光对霾的测量。在有些特定天气，仪器测量结果往往与实际观测数据有偏差，甚至测量结果与客观实际不相关，这里有很多原因，其中最主要原因是测量光源选择不当造成的。世界气象组织定义气象光学视程(MOR)为“色温2700K的白炽灯的平行光束，光通量削弱为其初始值的0.05时所需通过的大气路径长度”。在以往能见度测量当中，广泛使用的光源有卤灯，氙灯，红外发光管LED。卤灯和脉冲氙灯有一些很难克服缺点。如光源工作频率低，也很难调制，这样会加重接收器防止外来太阳光等杂散光的干扰难度；灯丝老化快；工作寿命短；光源长期稳定性差，体积大不适合做精密的光源。红外发光管LED缺点是波长大于可见光谱多色光(380nm---760nm)，大于一些气溶胶粒子的直径，因此测得的消光系数，容易造成理论与实际没有良好的相关性。另外相关产品大部分是以激光作为发射光源，由于出自对于人眼卫生安全考虑，很少实际使用。近年来，随着以氮化物为基础的白光LED研制成功，新一代绿色环保型固体照明光源——氮化物白光LED已成为人们关注的焦点。虽然也有将白光LED引入能见度测量的报道，但由于技术不完善，还达不到实际应用。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种利用白光测量能见度和大气消光系数的一种仪器，该仪器测量更符合能见度的理论定义，测量结果接近人的视觉函数实际观测，提高仪器测量的真实性和实用性，也提高仪器测量的稳定性和测量精度。
本实用新型的技术方案是它包括用于数据采集、处理和控制温度的采集控制器，其特征在于还包括用于控制检测白光LED光强度、光波长、光色彩的并其镜头污染可补偿的发射装置、用于分离信号与随机误差的动态检测并其镜头污染可补偿的接收装置及用于分析判别影响能见度变化天气现象的降水检测装置。
发射装置包括信号发生电路、白光LED控制和检测电路、光源、准直光路、温控电路和量化补偿检测电路，信号发生电路产生方波或伪随机信号送给与之连接的白光LED控制和检测电路，经控制和检测电路的处理成为符合要求的驱动电流，驱动给与之连接的白光源，白光LED发出的光通过准直光路送出；其中一小部分光直接被控制和检测电路接收，形成了负反馈控制与测量白光LED温度的温控闭环反馈电路共同起着保持稳波长、稳光强作用；一部分因镜头表面污染形成反射光又被量化补偿检测电路接收，完成镜头污染造成能见度变化补偿因子的测量。
接收装置包括汇聚光路、动态检测电路、量化补偿的光源控制电路、光源，被检测的光通过汇聚光路被动态检测电路接收，解调时经同相积分处理形成与接收光强成正比的电信号，而随机误差检测时，被检测的光通过动态检测电路，解调时经相差积分为零，只有噪声、漂移等随机误差不受相位限制可积形成误差信号，在量化补偿的光源控制电路作用下光源定时发光，镜头污染造成反射光又被动态检测电路接收，进行补偿因子的测量。
降水检测装置由湿度传感器、温度传感器、单片机测量控制电路与加热电路组成，单片机测量控制电路对检测到的降水值、大气环境温度值和来自采集控制器的直接数据之间双向处理，判断影响能见度的天气现象类型。
发射器中的光源是中心波长550nm，带宽400nm-700nm，色温2700K，其误差满足MOR技术要求的白光LED或白光LED组光源。
本实用新型采用了白光LED作为光源，符合国际气象组织对MOR测量规范。能见度测量仪的发射器发出的光通量进行实时控制和监测，使发射光能量及波长保持高度稳定。接收器消除了背景噪声，自身噪声，漂移等随机误差，同时也对镜头污染造成光通量衰减可量化补偿，降水检测装置分析判别影响能见度变化的天气现象类型，提高了测量精度。对于透射仪选取白光LED作光源，是白光通过大气散射和吸收引起的平均消光系数的估算，能正确的测量出对光吸收的影响，因此测量结果与能见度降低的大气条件种类诸如雾、雨、雪、尘埃无关。散射表选取白光LED。只要散射角选取30度-50度之间，雾、雪、具有相同散射与消光系数的比率。对于大气中悬浮的微粒(例如霾、烟)由于采用了白光，也具有较好的测量结果，对于沙尘暴等能被判别出来并且对于该天气现象前散射仪的响应已被量化，那么这个测量值是可以订正的。
图1是本实用新型的原理框图；图2是发射装置的电路原理框图；图3是接收装置的电路原理框图；图4是发射装置的电路原理图；图5是接收装置的电路原理图；图6是降水检测装置的电路原理图。
具体实施方式
参照图1，本实用新型包括用于控制检测白光LED的光强度、光波长、光色彩的发射装置、用于分离信号与随机误差的动态检测接收装置、用于数据采集、处理和控制温度的采集控制器，还包括用于分析判别影响能见度变化天气现象的降水检测装置。
参照图2，发射装置包括信号发生电路、白光LED控制和检测电路、光源、准直光路、温控电路和量化补偿检测电路，信号发生电路产生方波或伪随机信号送给与之连接的白光LED控制和检测电路，经控制和检测电路的处理成为符合要求的驱动电流，驱动给与之连接的白光源，白光LED发出的光通过准直光路送出；其中一小部分光直接被控制和检测电路接收，形成了负反馈控制与测量白光LED温度的温控闭环反馈电路共同起着保持稳波长、稳光强作用；一部分因镜头表面污染形成反射光又被量化补偿检测电路接收，完成镜头污染造成能见度变化补偿因子的测量。
参照图3，接收装置包括汇聚光路、动态检测电路、量化补偿的光源控制电路、光源，被检测的光通过汇聚光路被动态检测电路接收，解调时经同相积分处理形成与接收光强成正比的电信号，而随机误差检测时，被检测的光通过动态检测电路，解调时经相差积分为零，只有噪声、漂移等随机误差不受相位限制可积形成误差信号，在量化补偿的光源控制电路作用下光源定时发光，镜头污染造成反射光又被动态检测电路接收，进行补偿因子的测量。
参照图4，信号发生电路由方波发生器20、移相控制器21组成；光源控制和检测电路由干涉滤光片1、面对镜头的光电管2、光电转换器3、放大器4、解调器5、低通滤波器6、数据放大器7、基准源8、比较器9、调制器10、电流驱动器11组成；光源由白光LED或白光LED组12组成；准直光路由光学镜头36组成；温控电路由温度传感器35、温度测控器36、半导体制冷加热器37组成；量化补偿检测电路由干涉滤光片19、光电管18、光电接受器13、放大器14、解调器15、低通滤波器16、数据放大器17组成。
白光LED 12由电流驱动器11的输出端控制发光强度与波长，面对发光管的光电管2通过干涉滤光片1与光电接受器3把光信号转变成电信号。光电接受器3的输出信号经放大器4的放大，输出给解调器5，在方波发生器21的控制下进行解调。解调出脉动信号通过低通滤波器6的滤波和数据放大器7的处理成为直流信号，数据放大器7输出端与比较器9反相端连接，比较器9同相端与基准源8连接，组成反向加法器。比较器9输出直流信号给电流驱动器11的输入端，电流驱动器11的另一输入端受调制器10的斩波控制，于是电流驱动器11的输出成为与发光强度成反比的脉冲电流信号去点亮白光LED12，最后使发光管发射能量达到动态平衡。调制器10的调制频率受方波发生器20的输出控制，方波发生器20的输出同时又给移相控制器21，移相控制器21输出信号相位是受单片系统40控制，移相控制器21的输出端与接收器的同步控制器31输入端连接。
温度传感器38把检测到的白光LED的温度送给温度测控器36与白光LED的温度设定值进行比较处理，然后控制半导体37制冷或加热。
面对镜头的光电管18接受镜头表面污染造成的反射光，通过干涉滤光片1与光电接受器13的光电变换，光电接受器13的输出信号送给放大器14，经放大器14的放大输出给解调器15，解调器15受控于方波发生器20，解调器15的输出解调出脉动信号送到低通滤波器16处理，经低通滤波器16的滤波和数据放大器17的处理成为直流信号，信号通过单片系统40的A/D处理，镜头污染补偿得到量化。
上述电路中2、18的型号为PIN管，3与13的型号为OPA327，4与14的型号为OP27，5与15的型号为4066，6与16的型号为CBB，7与17的型号为AD521，8的型号为LM139，9的型号为OP07，10的型号为4011，11的型号为MAX1916，12的型号NSPW312BS，20的型号为4069，21的型号为MXD1010。
参照图5，动态检测电路由干涉滤光片22、光电管23、低噪声光电放大器24、带通滤波器25、交流放大器26、解调器27、低通滤波器28、可变增益放大器29、V/F变换器30组成；汇聚光路由光学镜头41组成；量化补偿的光源控制电路由同步控制器31、驱动器33、基准源34、调制器35组成；光源是由白光LED 32组成。
光电管23通过干涉滤光片22与低噪声光电放大器24把光信号转变成电信号。低噪声光电放大器的输出信号经有源带通滤波器25滤波后，又经交流放大器26进一步放大，输出给解调器27，在解调器27的控制下进行解调。解调器27的控制信号与被测信号相位关系取决于与同步控制器连接单片系统40的一个控制端，单片系统分时发出测量，零测，污染检测等命令。解调器27解调出脉动信号通过低通滤波器28的滤波和可变增益放大器29数据处理成为直流信号，然后经V/F变换器30转换成频率信号，V/F变换器30的频率信号输出给单片系统40的计数器。同步控制器31的同步信号来自发射器的移相控制器21的输出端，同步控制器31的相位取决于单片系统40，同步控制器31的另一个输出端与调制器35连接，调制器35输出的斩波控制驱动器33的输入基准源34的电平，驱动器33的输出脉冲电流驱动白光LED32，作为接受器镜头污染检测用的脉冲光源。
上述电路中23为PIN管，24的型号为OP327，25的型号为OP27，26的型号为OP27，27的型号为4066，28的型号为CBB，29的型号为AD521，30的型号为AD590，31的型号为4011，32的型号为NSPW312BS，33的型号为2DS687，34的型号为LM139，35的型号为3DK2。
参照图6，降水检测装置由湿度传感器42、温度传感器43、单片机测量控制电路44与加热电路组成。单片机测量控制电路44对检测到的降水值、大气环境温度值和来自采集控制器40的直接数据之间可双向处理，判断影响能见度的天气现象类型。
上述电路中42的型号为HIH-3610，电路中43的型号为RT100，44的型号为AT69C4051。
权利要求1.一种利用白光测量能见度和大气消光系数的仪器，包括用于数据采集、处理和控制温度的采集控制器，其特征在于还包括用于控制检测白光LED光强度、光波长、光色彩的并其镜头污染可补偿的发射装置、用于分离信号与随机误差的动态检测的并其镜头污染可补偿的接收装置及用于分析判别影响能见度变化天气现象的降水检测装置。
2.根据权利要求1所述的利用白光测量能见度和大气消光系数的仪器，其特征在于发射装置包括信号发生电路、白光LED控制和检测电路、光源、准直光路、温控电路和量化补偿检测电路，信号发生电路产生方波或伪随机信号送给与之连接的白光LED控制和检测电路，经控制和检测电路的处理成为符合要求的驱动电流，驱动给与之连接的白光源，白光LED发出的光通过准直光路送出；其中一小部分光直接被控制和检测电路接收，形成了负反馈控制与测量白光LED温度的温控闭环反馈电路共同起着保持稳波长、稳光强作用；一部分因镜头表面污染形成反射光又被量化补偿检测电路接收，完成镜头污染造成能见度变化补偿因子的测量。
3.根据权利要求1或2所述的利用白光测量能见度和大气消光系数的仪器，其特征在于接收装置包括汇聚光路、动态检测电路、量化补偿的光源控制电路、光源，被检测的光通过汇聚光路被动态检测电路接收，解调时经同相积分处理形成与接收光强成正比的电信号，而随机误差检测时，被检测的光通过动态检测电路，解调时经相差积分为零，只有噪声、漂移等随机误差不受相位限制可积形成误差信号，在量化补偿的光源控制电路作用下光源定时发光，镜头污染造成反射光又被动态检测电路接收，进行补偿因子的测量。
4.根据权利要求1或2所述的利用白光测量能见度和大气消光系数的仪器，其特征在于降水检测装置由湿度传感器、温度传感器、单片机测量控制电路与加热电路组成，单片机测量控制电路对检测到的降水值、大气环境温度值和来自采集控制器的直接数据之间双向处理，判断影响能见度的天气现象类型。
5.根据权利要求3所述的利用白光测量能见度和大气消光系数的仪器，其特征在于降水检测装置由湿度传感器、温度传感器、单片机测量控制电路与加热电路组成，单片机测量控制电路对检测到的降水值、大气环境温度值和来自采集控制器的直接数据之间双向处理，判断影响能见度的天气现象类型。
6.根据权利要求1或2所述的利用白光测量能见度和大气消光系数的仪器，其特征在于发射器中的光源是中心波长550nm，带宽400nm-700nm，色温2700K，其误差满足MOR技术要求的白光LED或白光LED组光源。
专利摘要一种利用白光测量能见度和大气消光系数的仪器，包括用于数据采集、处理和控制温度的采集控制器，其特征在于还包括用于控制检测白光LED光强度、光波长、光色彩的并其镜头污染可补偿的发射装置、用于分离信号与随机误差的动态检测的并其镜头污染可补偿的接收装置及用于分析判别影响能见度变化天气现象的降水检测装置。本实用新型利用白光测量能见度和大气消光系数，更符合能见度的理论定义，测量结果接近人的视觉函数实际观测，提高仪器测量的真实性和实用性，也提高仪器测量的稳定性和测量精度。
文档编号G01N21/01GK2757122SQ20042001289
公开日2006年2月8日 申请日期2004年12月24日 优先权日2004年12月24日
发明者王韬, 王光里 申请人:王韬