专利名称：光学透射计以及用于这种光学透射计的光源和光检测器的制作方法
光学透射计以及用于这种光学透射计的光源和光检测器本发明涉及光学透射计(transmissometer )并且特别地但是并不唯 一地涉及i^E巨离大气光学透射计。本发明还涉及用于这种透射计的光源和 光检测器。测量光学信号在空气中的衰减的远距离光学透射计用于包括监视空 气质量和可见度的诸多应用并且一般分为两类。称为天文透射计的第一类 透射计用来测量大气透射率，以改善某些类型的基于地面的高能量伽马射 线和宇宙射线检测器的校准并且一般包括气体放电灯泡光源和电荷耦合 器件(CCD)检测器。这样的设备受困于光源的灯泡昂贵、功率消耗高 并且需要频繁更换从而需要频繁维护的缺点，这二者明显地增加透射计的 制造和操作成本。如果仪器安装于偏远地点和需要自治供电则ibl如此。称为环境透射计的第二类透射计一般包括白炽光灯泡源和光电二极 管接收器。这一类透射计受困于光电二极管的窄视野造成难以正确地对准 装置的各种部件这一缺点。另夕卜，这一类透射计的光源通常被斩波，并且 使用锁相放大器来检测光电二极管的输出信号，这也明显地增加了装置的 制造成本。本发明的优选实施例寻求克服现有技术的上述不足。才艮据本发明的一个方面，提供一种用于透射计的光源，该透射计用于 确定至少一个光学信号在流体中的衰减，该光源包括至少一个发光二极管(LED)，用于提供输出光学信号；驱动装置，用于对所^JC光二极管或每个所i^L光二极管供给能量；以及第一无线电通信装置，用于^_所述光源能够与远离所述光源的至少一 个处理器装置和/或光检测器设备通信。通过提供包括一个或多个发光二极管和用于使光源能够与至少一个 处理器装置和/或光检测器设备通信的第一无线电通信装置的光源，这提 供了减少光源所需维护量的优点、从而明显地减少设备的维护成本而同时 又有助于光源和对应检测器设备的同时操作。 该光源还可以包括用于增强至少一个所述输出光学信号的笫一增强 提扭麥该第一增强器装置可以包括至少一个透镜。该驱动装置可以适于间歇地IMt至少 一个所iOL光二极管。该光源可以包括适于在多个分别的平均波长提供光学输出信号的多 个所iOL光二极管，其中驱动装置适于每次操作一个所^iL光二极管。该第一无线电通信装置可以适于将所述光源的状态数据发送到光检 测器设备。该第一无线电通信装置可以适于使得能够远程地IMt所述驱动装置。根据本发明的另一方面，提供一种用于透射计的光检测器设备，该透 射计用于确定至少一个光学信号在流体中的衰减，该i更备包括光学检测器阵列，用于提供代表输入光学信号的相应的输出信号；以及第二无线电通信装置，用于4吏所述设备能够与用于提供至少一个所述 输入光学信号并且位置远离所述i殳备的至少一个处理器装置和/或光源通 信。通过提供包括光学检测器阵列和第二无线电通信装置的光检测器设 备，这提供了以下优点有助于检测器设备的检测器与生成输入光学信号 的光源对准以及有助于检测器设备与光源操作。至少一个所述光学检测器可以包括电荷耦合器件(CCD)。该设备还可以包括用于增强至少一个所述输入光学信号的第二增强 器装置。该第二增强器装置可以包括至少 一个望远镜。该第二无线电通信装置可以适于接收光源的状态数据。该第二无线电通信装置可以适于使得能够远程地操作所述设备。该设备还可以包括用于处理至少一个所述输出信号的处理器装置。该处理器装置可以适于标识从光源接收光的至少 一个所述检测器。该处理器装置可以适于将来自从所述光源接收光的多个第一所述检 测器的电信号与来自邻近于所述第一检测器的多个第二检测器的电信号
进行比较。该处理器可以适于将当至少一个所述发光二极管接通时来自多个所 述第 一检测器的电信号与当至少 一个所述发光二极管关断时来自多个所 述检测器的电信号进行比较。根据本发明的又一方面，提供一种用于确定至少 一个光学信号在流体中的衰减的透射计，该透射计包括光源，该光源包括用于提供输出光学信号的至少一个发光二极管 (LED )和用于向所述发光二极管或每个所i^光二极管供给能量的驱动 装置；以及光检测器设备，该光险测器设备包括用于提供代表输入光学信 号的相应输出信号的光学检测器阵列。通过提供包括至少 一个发光二极管的光源和包括光检测器阵列的光 检测器设备，这提供了光源与检测器之间的对准得以改进的优点并且还提 供了无需锁相放大器的透射计，因此明显地减小了透射计的制造成本。该光源还可以包括用于至少一个所述输出光学信号的第 一增强器装置。该第一增强器装置可以包括至少一个透镜。该驱动装置可以适于间歇地操作至少 一个所述发光二极管。在一个优选实施例中，该光源包括适于在多个分别的平均波长4I:供光 学输出信号的多个所述发光二极管，而该驱动装置适于每次操作一个所述 发光二极管。这提供了使得能够使用单色检测器的优点。 至少一个所述光学检测器可以包括电荷耦合器件(CCD)。该光检测器设备还可以包括用于增强至少一个所述输入光学信号的 第二增强器装置。该第二增强器装置可以包括至少 一个望远镜。该i殳备还可以包括用于处理至少一个所述输出信号的处理器装置。该处理器装置可以适于标识从光源接收光的至少一个所述检测器。该处理器装置可以适于将来自从所述光源接收光的多个第一所述检 测器的电信号与来自邻近于所述第 一检测器的多个第二检测器的电信号 进行比较。 该处理器可以适于将当至少一个所述发光二极管接通时来自多个所 述第 一检测器的电信号与当至少 一个所述发光二极管关断时来自多个所 述检测器的电信号进行比较。该透射计还可以包括用于使所述光源能够与处理器装置和/或所述检 测器装置通信的第 一无线电通信装置和第二无线电通信装置。该第一无线电通信装置可以适于将所述光源的状态数据发送到处理 器装置和/或光检测器i殳备。该第一无线电通信装置可以适于使得能够远程地操作所述驱动装置。该第二无线电通信装置可以适于接收光源的状态数据。该第二无线电通信装置可以适于使得能够远程地操作所述设备。现在参照附图仅作为例子而无限制意义地描述本发明的实施例，在附图中图l是体现本发明的透射计的示意图；图2是用在
图1的透射计中的光源的横截面正视图；以及图3是用在图1的透射计中的检测器的横截面正视图。参照图1， 一种用于在夜间使用的确定光束2在大气中的衰减的透射 计具有以适当距离d分离的光源4和it^测器6，该距离d在图1的例子 中是30公里。如图2中具体所示，光源4包括其输出由相M镜10增强的两个标 准发光二极管8，以及两个超亮发光二极管12。发光二板管8、 12由印刷 电路板14控制并iUl射分别为约3。宽和约15。宽的输出光束16、 18。光 源4经由射频调制解调器20来控制，该调制解调器经由浪涌保护器22 连接到天线24，该天线使得能够以下文具体描述的方式从光检测器6远 程地操作光源4。调制解调器20和天线24也使得能够向光检测器6发送 可以用来控制光源4的光源4的状态数据，比如光源4的输出强度和电流。 光源的输出强度由布置于光源4的相机軍26中的光电二极管(31 )检测。光源4的部件容纳于相机軍26内，该相机罩具有借助于加热器和除 雾器30以及洗涤器和^拭器32来保持清晰的透明窗口 28,其中向洗涤 器和擦拭器32供应来自罐34的清洗流体36。罩26借助于旋转底座72 和托架(未示出)固定到远程通信杆70。参照图3，光检测器6具有壳 38，该壳经由使用螺母和垫團78可调节长度的枢轴40和连杆76装配到
固定于装配柱44的底座42。牛顿望远镜46设置于壳38中并且具有凹镜 48，该凹镜用于将入射的光束50引到反射镜52上以将入射的光束聚焦到 如本领域技术人员将认识到的那样具有光学检测器阵列(未示出)的电荷 耦合器件(CCD)相机54。借助于CCD相机控制器56来控制相机54， 而ib险测器6的操作借助于无线电和调制解调器58与图2的光源4的操 作同步，该无线电和调制解调器使用发送/接收开关79通过浪涌保护器60 连接到天线62。壳38还具有借助于加热器和除雾器66来保持清晰的窗 口 64。现在将描述图中所示的透射计的^Mt。处理器(未示出)经由以太网、串行端口服务器74、无线电和调制 解调器58、天线62和天线24以及光源4上的无线电和调制解调器20来 操作光源4以使各发光二极管8、 12在不同时间发光，从而在各发光二极 管8、 12接通之时，各发光二极管8、 12由印刷电路板14供应一般恒定 的电流以分别生成引向接收器6的输出光束16、 18。光束16、 18因光源 4与检测器6之间的大气而衰减，并且检测器6所接收的各入射光束50 借助于镜48和52聚焦到CCD相机54上。由于分离地操作各发光^L 管8、 12，所以CCD相机54无需区别不同波长的光并且因此可以是单色 设备。处理器(未示出)先4^L光二极管8、 12之一接通。处理器然后利用 CCD相机54进行以下持续时间的膝光，该持续时间适合于平均空气M 下的特^JL光二极管。处理器然后借助于相机54的视野中3x3个像素的 最亮线束被检测的第一算法来标识CCD相机输出中光源4的图像。如果 被检测到，则这一线束的中心代表接通的发光二极管的图像中心。另一方 面，如果处理器无法检测到这样的线束，则处理器接通不同的发光二极管 并且重复上述过程。当在第一曝光过程中无法检测到适当亮度的线束情况 下可以通过以更长的膝光时间重复这一过程来改进该过程。当处理器已经标识3x3个4象素的最亮线束时，它确定最亮线束的中心 处像素的亮度。如果亮度值大于饱和值(即相机54的动态范围的最大值)， 则处理器进行持续时间为第一次膝光一半的啄光。另一方面，如果亮度值 小于饱和值的0.8倍，则处理器进行瀑光时间为饱和值与先前瀑光时间之 比的0.9倍的新膝光。这一过程持续直至3x3个〗象素的最亮线束的中心处 像素的亮度值在饱和值的0.8倍与1.0倍之间为止。处理器然后通过确定上述3x3线束周围20x20个像素的阵列的合成
输出强度信号与距离该阵列的中心有10个和19个4象素之间的方形环状区 域中测量的平均背景像素值之差，来进行第一测量。这提供了来自代表接 通的发光二极管的图像的像素与周围像素的信号之间的强度差。处理器然 后关断发光二极管并且记^f目同曝光持续时间的图像作为第一测量。在完成第一测量之后，处理器针对两个图像计算上述两个像素区的合 成信号强度之差。然后记录测量数据，而处理器然后为不同的发光二极管 重复整个过程。也可以通过配合在基准(pedestal)上叠加的二维高斯函 数来改进测量过程。通过要求在两个测量算法的结果之间的匹配来提高测 量质量.处理器将数据记录到存储介质如硬盘上，该数据包括光发送器强度测 量、任何所期望的算法输出(例如光斑位置)和由光源提供的任何必需的 监控数据如LED电流、LED光计量输出等。此数据可以用来精细化使用 校准数据的任何测量以及帮助标识潜在问题。监视数据经由无线电^从 光源4供应到光检测器6。与常规灯泡对照，通过使用光源4中的超亮LED,实现了更稳定和 更长寿命的光源。另外，通过一次切换一个发光二统管8、 12，可以一次 测量一个波长，因此可以使用单色CCD相机54、从而减少装置的成本。 此外，发光二极管的使用使得能够获得在宽角度适当均匀的光束，该光束 可以由具有较宽视野的CCD相机检测，iti^免了现有技术设备的对准问 题。另外，CCD相机54的使用避免了对光电二极管的使用，这又使得能 够避免使用斩波和锁相放大器、因此减少了设备的成本。还可以通过在光源4后面提供用于为CCD相机54的图像处理提供 适当背景的黑屏式结构来改进该设备的操作。本领域技术人员将认识到已经仅作为例子而无任何限制意义地描述 了上述实施例并且各种变动和修改在不脱离如所附权利要求限定的本发 明范围的情况下是可能的。例如，虽然参照图l至图3描述的实施例主要 适合于夜间使用，但是本领域技术人员将认识到如果进行对本发明设备的 适当修改则该设备也可以在日间操作。另外，除了在光源4与光险测器6 的处理器之间直接提供无线^Ml外，本领域技术人员将认识到也可以布 置无线^使得借助于无线M^来远程地^Mt光源4和光检测器6。
权利要求
1. 一种用于透射计的光源，所述透射计用于确定至少一个光学信号在流体中的衰减，所述光源包括至少一个发光二极管(LED)，用于提供输出光学信号；驱动装置，用于对所述发光二极管或每个所述发光二极管供给能量；以及第一无线电通信装置，用于使所述光源能够与远离所述光源的至少一个处理器装置和/或光检测器设备通信。
2. 根据权利要求l所述的光源，还包括用于增强至少一个所述输出 光学信号的第一增强器装置。
3. 根据权利要求2所述的光源，其中所述第一增强器装置包括至少 一个透镜。
4. 根据任一前述权利要求所述的光源，其中所述驱动装置适于间歇 地操作至少一个所iOL光二极管。
5. 根据权利要求4所述的光源，包括适于在多个分别的平均波长提 供光学输出信号的多个所述发光二极管，其中所述驱动装置适于一次操作 一个所U光二极管。
6. 根据任一前述权利要求所述的光源，其中所述第一无线电通信装 置适于将所述光源的状态数据发送到处理器装置和/或光检测器设备。
7. 根据任一前述权利要求所述的光源，其中所述第一无线电通信装 置适于使得能够远程地操作所述驱动装置。
8. —种用于透射计的光检测器设备，所述透射计用于确定至少一个 光学信号在流体中的衰减，所述设备包括光学检测器阵列，用于提^f义表输入光学信号的相应输出信号；以及第二无线电通信装置，用于使所述设备能够与用于提供至少一个所述 输入光学信号并且位置远离所述设备的至少一个处理器装置和/或光源通 信。
9. 根据权利要求8所述的设备，其中至少一个所述光学检测器包括 电荷耦合器件(CCD )。
10. 根据权利要求8或9所述的设备，还包括用于增强至少一个所述 输入光学信号的第二增强器装置。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中所述第二增强器装置包括至 少一个望远镜。
12. 根据权利要求8至11中任一权利要求所述的设备，其中所述第 二无线电通信装置适于接收光源的状态数据。
13. 根据权利要求8至12中任一权利要求所述的设备，其中所述第 二无线电通信装置适于使得能够远程地操作所述设备。
14. 根据权利要求8至13中任一权利要求所述的设备，还包括用于 处理至少 一个所述输出信号的处理器装置。
15. 根据权利要求14所述的设备，其中所述处理器装置适于标识从 光源接收光的至少 一个所述检测器。
16. 根据权利要求15所述的设备，其中所述处理器装置适于将来自 从所述光源接收光的多个第 一所述检测器的电信号与来自邻近于所述第 一检测器的多个第二检测器的电信号进行比较。
17. 根据权利要求16所述的设备，其中所述处理器适于将当至少一 个所述发光二极管接通时来自多个所述第一检测器的电信号与当至少一 个所述发光二极管关断时来自多个所述检测器的电信号进行比较。
18. —种用于确定至少一个光学信号在流体中的衰减的透射计，所述 透射计包括光源，所述光源包括用于提供输出光学信号的至少一个发光二极管 (LED )和用于向所^J良光二极管或每个所^光二极管供给能量的驱动 装置；以及光检测器设备，所述ib险测器设备包括用于提供代表输入光学信号的 相应输出信号的光学检测器阵列。
19. 根据权利要求18所述的透射计，其中所述光源还包括用于增强 至少 一个所述输出光学信号的第 一增强器装置。
20. 根据权利要求19所述的透射计，其中所述第一增强器装置包括 至少一个透镜。
21. 根据权利要求18至20中任一权利要求所述的透射计，其中所述驱动装置适于间歇地操作至少一个所述发光二极管。
22. 根据权利要求18至21中任一权利要求所述的透射计，其中所述 光源包括适于在多个分别的平均波长提供光学输出信号的多个所述发光 二极管，而所述驱动装置适于一次操作一个所iOL光二极管。
23. 根据权利要求18至22中任一权利要求所述的透射计，其中至少 一个所述光学检测器包括电荷耦合器件(CCD)。
24. 根据权利要求18至23中任一权利要求所述的透射计，其中所述 光检测器设备还包括用于增强至少 一个所述输入光学信号的第二增强器 装置。
25. 根据权利要求24所述的透射计，其中所述第二增强器装置包括 至少一个望远镜。
26. 根据权利要求18至25中任一权利要求所述的透射计，其中所述 光检测器设备还包括用于处理至少 一个所述输出信号的处理器装置。
27. 根据权利要求26所述的透射计，其中所述处理器装置适于标识 从光源接收光的至少 一个所述检测器。
28. 根据权利要求27所述的透射计，其中所述处理器装置适于将来 自从所述光源接收光的多个第 一所述检测器的电信号与来自邻近于所述 第 一检测器的多个第二检测器的电信号进行比较。
29. 根据权利要求28所述的透射计，其中所述处理器适于将当至少 一个所述发光二极管接通时来自多个所述第一检测器的电信号与当至少 一个所iOL光二极管关断时来自多个所述检测器的电信号进行比较。
30. 根据权利要求18至29中任一权利要求所述的透射计，还包括用 于使所述光源能够与处理器装置和/或所述检测器设备通信的第 一无线电 通信装置和第二无线电通信装置。
31. 根据权利要求30所述的透射计，其中所述第一无线电通信装置 适于将所述光源的状态数据发送到处理器装置和/或光检测器设备。
32. 根据权利要求30或者31所述的透射计，其中所述第一无线电通 信装置适于使得能够远程地操作所述驱动装置。
33. 根据权利要求30至32中任一权利要求所述的透射计，其中所述 第二无线电通信装置适于接收光源的状态数据。
34.根据权利要求30至33中任一权利要求所述的透射计，其中所述 第二无线电通信装置适于使得能够远程地操作所述设备。
全文摘要
公开了一种用于确定大气中的光束(2)的透射计。该透射计包括光源(4)和光检测器(6)，该光源包括由印刷电路板控制的发光二极管(LED)，而该光检测器用于提供代表输入光学信号的输出信号。
文档编号G01N21/59GK101400988SQ200780008374
公开日2009年4月1日 申请日期2007年3月7日 优先权日2006年3月11日
发明者罗兰登·莱加卢 申请人:杜伦大学