[发明专利]透射式能见度测量装置及测量方法

说明书

一、技术领域

本发明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

本发明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。

本发明的另一目的在于提供透射式大气能见度测量方法，该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，测量结果准确。

本发明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。

透射式大气能见度测量方法，其特征是：测量步骤包括：

(1)通过半导体激光器发射光脉冲序列，经准直后成为平行光发出；

(2)经光接收单元的凸透镜会聚到四象限光电探测器表面；

(3)每象限探测的信号分别由光电信号处理单元处理后，经数据采集单元送入计算机控制单元；

(4)计算机控制单元计算每象限探测到的光功率之和得到透射光功率；同时计算机控制单元计算光斑在四象限光电探测器上的中心坐标，并控制步进电机调整四象限光电探测器的X轴与Y轴方位，对光斑进行跟踪控制。

步进电机包括X轴平移步进电机和Y轴平移步进电机，两步进电机分别控制四象限光电探测器的X轴平移台和Y轴平移台移动。X轴和Y轴平移台设置在四象限光电探测器的安装底座上。

本发明相比现有技术具有如下优点：

本发明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。

本发明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、附图说明

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本发明四象限光信号处理系统原理图；