专利名称：大气能见度测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学测量技术领域，更具体地，涉及一种大气能见度测量系统。
背景技术：
能见度测量在航空、航海、高速路等交通领域的安全方面和研究大气污染方面具 有重大意义。能见度测量的结果决定了机场、港口和高速路的开放和关闭，是各类运输装备 的驾驶人员进行操作所参考的气象要素。较长时间以来，准气象部门由于缺少相关的观测 仪器只能通过观察人工预置的黑桩进行能见度的判断，测量结果存在较大误差。近年来出现了各种能够测量能见度的仪器设备，这些设备通过测试能见度的相关 参量来推算能见度，其中包括透射式、前向散射式和后散射式。透射式能见度测量设备包括一体式和分体式两类。一体式如图1所示，是指发射 装置和接收装置设置在同一箱体内，在一定距离之外设置反射器，使用不同角度分开的多 测量基线。通常，一体式透射仪采用氙闪光灯或激光作为脉冲发光源，当能见度在适度范围 内变化时，采用相应的某一测量基线。在接收器接近最大值时，接收单元信号驱动透射整机 自动转接到另一条大或小的基线上，保证接收器得到合适的信号值。在安装过程中，一体式 需要反射器进行非常精确地调整，以把发射光返回到接收器的位置，来保证发射光准确进 入接收器中心孔位置(为克服杂散光影响，接收器孔直径较小，一般只有直径10毫米左右 的深孔洞)，如果采用多基线安装，难度成倍增加。分体式能见度测量设备如图2所示，是指发射机和接收机分别安装在一条基线的 两端，对于一台发射机，需要在15米和75米的相对位置上分别安装两台接收机。分体式的 单基线在15米至75米范围内同样存在光轴对准的问题。由于透射式基本都采用脉冲氙灯 发射光技术，气象采样空间较小。如图3所示，前向散射式能见度测量设备的发射/接收光学系统被分别安装在相 距有1. 2米、都向下倾斜35度并在交汇处形成800毫升的取样空间区域，能见度空间代表 性变小。如图4所示，后向散射能见度测量设备的发射机向上倾斜与接收机的光轴大约在 15米的距离上相交，后向散射式虽然将发射/接收的空间相对位置增加到15米，但采样空 气体积加大，气象代表性仍然不够。总之，当前的各类透射仪、散射仪只能安装在较短的距离范围，空间小，导致 取样空气代表性就小，能见度距离测量受到相当大的限制，精度和相对误差一般超过 20% -30%。
实用新型内容为克服现有能见度测量设备中距离范围小、测量精度差的缺陷，本实用新型提出 一种大气能见度测量系统。根据本实用新型的一个方面，提出了一种大气能见度测量系统，包括光学锥体反射器和大气能见度测量仪，其特征在于所述大气能见度测量仪包括大物镜、测量望远分光镜和目镜，所述目镜处于所述 大物镜的焦点的后方，所述测量望远分光镜置于大物镜和目镜之间，所述测量望远分光镜 的内部反射面是镀有半透半反膜的胶合面。所述测量望远分光镜的尺寸被设计使得入射到所述大物镜的平行光汇聚在所述 测量望远分光镜左侧表面时边长大于汇聚光形成的圆形的直径。所述测量望远分光镜内部反射面是45度胶合面。所述测量望远分光镜内部反射面镀有700nm分界的半透半反膜。所述目镜包括调焦镜组和目镜组。所述系统还包括两个45度斜方棱镜，其布置在所述测量望远分光镜会聚的红外 光形成的圆形的直径上，将所述测量望远分光镜的所述红外光圆形分为两个半圆。所述系统还包括参考光路，所述参考光路包括两个半透射半反射平镜、两个凸透 镜，其中，所述半透射半反射平镜布置在所述45度斜方棱镜的反射光路上方，与该反射光 路成45度角；所述凸透镜布置在所述半透射半反射平镜之间，用于将所述半透射半反射平 镜的透射光进行聚焦。所述凸透镜的焦距为焦点和所述凸透镜之间的距离，所述凸透镜的焦距为焦点和 所述凸透镜之间的距离。所述参考光路还包括两个光阀和，分别布置在作为发射端的所述半透射半反射平 镜的两端的光路上。本系统可以测量光能在大气中的衰减程度，可以确定每米光能衰减的程度，从而 得到光能在多少距离衰减到人眼无法分辨的程度，实现能见度的精确测量。
图1是现有技术的一体透射式能见度测量设备的布置和基线的示意图；图2是现有技术的分体透射式能见度测量设备的示意图；图3是现有技术的前向散射式能见度测量设备的示意图；图4是现有技术的后向散射式能见度测量设备的示意图；图5是根据本实用新型的第一实施例的大气能见度测量系统示意图；图6是根据本实用新型的第二实施例的大气能见度测量系统示意图；和图7是根据本实用新型的第三实施例的大气能见度测量系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型提供的一种大气能见度测量系统进行 详细描述。图5示出根据本实用新型的第一实施例的大气能见度测量系统。如图5所示，其 中，该大气能见度测量系统包括光学锥体反射器1和大气能见度测量仪，所述大气能见度 测量仪包括大物镜2、测量望远分光镜3和目镜4。图中还示出红外测量光焦点5。其中，光 学锥体反射器1依据测量需要和大物镜2保持较远的距离，目镜4处于大物镜2的焦点的 后方，图1中为示意需要，将目镜4置于焦点处，但本领域内普通技术人员明白在实际观测
4中，这样的布置不会限制目镜4的位置，并且目镜4可以放置在焦点后方易于观测的任一位 置。测量望远分光镜3置于大物镜2和目镜4之间，用于接收大物镜2和目镜4之间传输 的光路，其大小要保证从进入大物镜2的平行光汇聚在测量望远分光镜3左侧表面时，正方 形边长大于汇聚形成的圆形直径。其中，测量望远分光镜3的内部反射面是45度胶合面，当测量望远分光镜3的45 度胶合面全通光时，则测量望远分光镜3、大物镜2和处于测量望远分光镜3的焦点后方的 目镜4构成测量仪，用于瞄准光学锥体反射器1 ；其次，当测量望远分光镜3的45度胶合面 全反光时，光轴将折转到焦点5 ；也就是说焦点4和焦点5共轭。可见光光谱在400nm到 700nm,在测量望远分光镜3的45度胶合面镀上700nm分界的半透半反膜，使得700nm以下 的可见光全透射，700nm以上的红外光全反射。其中，选择45度胶合面是为反射效率达到 最高，并且到达焦点5的光轴垂直于入射光轴，便于构建，然而，也可以选择其它角度，例如 30-60度，或者20-80度的胶合面。目镜4可以是用于望远镜系统的调焦镜组和目镜组。这样，该光学测量系统就被分为可见光的望远系统和红外光的测量系统，而且这 两个系统是完全同轴的。也就是说，当望远系统瞄准光学锥体反射器1时，光学锥体反射器 1就是红外测量系统的目标，保证精确测量光路的正确性与安装便利。图6是根据本实用新型的第二实施例的大气能见度测量系统示意图，将图5的红 外测量光焦点5处的光路进一步分解成发射和接收光路。图6中的光学锥体反射器1、大物 镜2、测量望远分光镜3、目镜4和红外测量光焦点5位置与图5中所示一致。如图6所示，当一束与光路系统光轴平行的平行光从大物镜外进入光路，其中可 见部分到达焦点4，红外部分到达望远测量分光镜3的上表面形成一个圆形，其中，从大物 镜2到达焦点5的是圆锥体形的红外光，其中任一个横切面都是一个圆形，沿着这个圆形的 直径放置两个45度斜方棱镜8和9，红外光进入45度斜方棱镜8和9后，将在45度出射面 上发生全反射。测量望远分光镜3的上表面的圆形被45度斜方棱镜8、9分为两个半圆，原 来的一个焦点5被分割成两个焦点6和7。依据光路可逆原理，在这两个焦点6和7的任一焦点处发射(假设焦点6)的红外 光将形成大物镜2外的半圆形平行光。如果这个半圆形的圆心与光学锥体反射器1的顶点 重合，入射到光学锥体反射器1的红外光被反射到光学锥体反射器1的另一侧斜面，并再次 反射出光学锥体反射器1，此时，对于光学锥体反射器1而言，入射光与出射光互相平行组 成了一个圆形，各自占据半边但又互不相扰。返回的平行红外光才会汇聚在另一个焦点上 (焦点7)。使用顶点角度90度的光学锥体反射器1，测量的回光信号就是经由光学锥体反 射器1折返的发射信号，普通物质(如大气，镜面)表面的漫反射不会到达接收焦点(焦点 7)处。此时，如果入射光横截面的半圆形圆心与锥体顶点发生偏移，则会形成能量损失。基于上述的发射_折转_折转_接收，能见度测量在本申请中称之为回归透射式 能见度测量。这是因为从发射到接收到信号，其光路是完全独立的，发射信号在大气中穿行 时，不会因为大气的漫反射而形成接收信号，必须经由光学锥体反射器1才能回到接收焦 点处，形成接收信号。图7是根据本实用新型的第三实施例的大气能见度测量系统示意图，图7所示的 布置相对于图6增加了参考光路。图7中光学锥体反射器1、大物镜2、测量望远分光镜3、 目镜4和45度斜方棱镜8、9位置与图6中所示一致。
5[0037]在图7中，针对仪器内部参量变化带来的测量误差，增加参考光路，用设定的已知 光路的测量，实现对能见度测量过程的校准。所述参考光路包括两个半透射半反射平镜10 和13、两个凸透镜11和12，其中半透射半反射平镜10和13布置在45度斜方棱镜8、9的 反射光路上方，与该反射光路成45度角；凸透镜11和12布置在半透射半反射平镜10和13 之间，用于将半透射半反射平镜10和13的透射光进行聚焦。凸透镜12的焦距为焦点6和 凸透镜12之间的距离，凸透镜11的焦距为焦点7和凸透镜11之间的距离。参考光路还包 括两个光阀14和15，分别布置在作为发射端的半透射半反射平镜10或者13的两端的光路 上。测量参考光路时，光阀14开启，光阀15关闭，发射光从焦点6发出，经半透射半反 射平镜13反射的部分光向右折转，通过凸透镜12后变成平行光(因为位置6为其焦点)， 经由凸透镜11汇聚，半透射半反射平镜10反射，到达焦点7。测量外光路时，光阀14关闭，光阀15开启，发射光从焦点6发出，透过半透射半反 射平镜13，经45度斜方棱镜9和测量望远分光镜3的下半部的折反射，从大物镜2下半部 透射变成平行光射出，到达光学锥体反射器1下半部后经两次反射，调转方向，从光学锥体 反射器1的上半部出射，回到大物镜2的上半部进行汇聚，经测量望远分光镜3上半部和45 度斜方棱镜8反射，经半透射半反射平镜10透射，到达焦点7。使用上述两次测量，一次是未经大气衰减的发射光产生的接收响应，即测量参考 光路时；一次是经过大气衰减的发射光产生的接收响应，即测量外光路时；二者所得结果 相减就是大气衰减的能量E。如果，假设测量系统到光学锥体反射器的距离为M，那么大气 衰减实际采样距离是2M，此时可以得到E/2M，就是每米衰减的光能。当设定光能量衰减到 一定程度K(应为经验值)为不可见，则能见度距离值为(K/E)X2M。本实用新型基于光发射，接收与望远瞄准共轴于一体。实现用光学锥体反射器，将 发出的光折返回归到同一仪器内，最终达到接收器工作位置。此时，仪器所获得的是光能在 穿过大气后衰减部分能量的光。其衰减程度在距离确定条件下，可以确定每米距离光能衰 减范围置，因此能够计算得到光能会在多少距离衰减到人眼无法分辨的定义值，也就是达 到能见度的测量目的。最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本实用新型的技术方案而不是对本技术 方案进行限制，本实用新型在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因 此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本实用新型的精神和教导范围内。
权利要求一种大气能见度测量系统，包括光学锥体反射器(1)和大气能见度测量仪，其特征在于所述大气能见度测量仪包括大物镜(2)、测量望远分光镜(3)和目镜(4)，所述目镜(4)处于所述大物镜(2)的焦点的后方，所述测量望远分光镜(3)置于大物镜(2)和目镜(4)之间，所述测量望远分光镜(3)的内部反射面是镀有半透半反膜的胶合面。
2.权利要求1所述的大气能见度测量系统，其特征在于，所述测量望远分光镜(3)的尺 寸被设计使得入射到所述大物镜(2)的平行光汇聚在所述测量望远分光镜(3)左侧表面时 边长大于汇聚光形成的圆形的直径。
3.权利要求1所述的大气能见度测量系统，其特征在于，所述测量望远分光镜(3)内部 反射面是45度胶合面。
4.权利要求1所述的大气能见度测量系统，其特征在于，所述测量望远分光镜(3)内部 反射面镀有700nm分界的半透半反膜。
5.权利要求1所述的大气能见度测量系统，其特征在于，所述目镜(4)包括调焦镜组和 目镜组。
6.权利要求1所述的大气能见度测量系统，其特征在于，所述系统还包括两个45度斜 方棱镜(8)和(9)，其布置在所述测量望远分光镜(3)会聚的红外光形成的圆形的直径上， 将所述测量望远分光镜(3)的所述红外光圆形分为两个半圆。
7.权利要求6所述的大气能见度测量系统，其特征在于，所述系统还包括参考光路，所 述参考光路包括两个半透射半反射平镜(10)和(13)、两个凸透镜(11)和(12)，其中，所述 半透射半反射平镜(10)和(13)布置在所述45度斜方棱镜(8)和(9)的反射光路上方， 与该反射光路成45度角；所述凸透镜(11)和(12)布置在所述半透射半反射平镜(10)和 (13)之间，用于将所述半透射半反射平镜(10)和(13)的透射光进行聚焦。
8.权利要求7所述的大气能见度测量系统，其特征在于，所述凸透镜(12)的焦距为焦 点(6)和所述凸透镜(12)之间的距离，所述凸透镜(11)的焦距为焦点(7)和所述凸透镜 (11)之间的距离。
9.权利要求7所述的大气能见度测量系统，其特征在于，所述参考光路还包括两个光 阀(14)和(15)，分别布置在作为发射端的所述半透射半反射平镜(10)或者(13)的两端的光路上。
专利摘要本实用新型提供一种大气能见度测量系统，包括光学锥体反射器(1)和大气能见度测量仪，大气能见度测量仪包括大物镜(2)、测量望远分光镜(3)和目镜(4)，目镜(4)处于大物镜(2)的焦点的后方，测量望远分光镜(3)置于大物镜(2)和目镜(4)之间，测量望远分光镜(3)的内部反射面是镀有半透半反膜的胶合面，所述光学锥体反射器(1)布置远离所述大气能见度测量仪。通过应用本系统，可以测量光能在大气中的衰减程度，确定每米光能衰减的程度，从而得到光能在多少距离衰减到人眼无法分辨的程度，实现能见度的精确测量。
文档编号G01N21/59GK201607404SQ20102004700
公开日2010年10月13日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者张德林, 王长春 申请人:北京赛凡光电仪器有限公司