双通道前向散射能见度检测装置及检测方法.pdf

本发明公开了双通道前向散射能见度检测装置及检测方法，属于大气能见度检测的技术领域。所述检测装置包括两个发射端以及两个接收端。所述检测方法通过采集两个发射端的直接信号以及前向散射信号分别计算大气能见度，取两个能见度数据的几何平均值作为能见度的取值，避免了现有技术中在接收端镜头被污染时测量精度降低的缺陷，同时避免了现有技术中两个接收端要求保持高度一致性的缺陷。

权利要求书
1.   双通道前向散射能见度检测装置，其特征在于，包括第一、第二发射端，第一、第二接收端、控制器，其中：所述第二接收端设置在第一发射端光信号直接传播路径上，所述第一接收端设置在第二发射端光信号直接传播路径上，所述第一发射端、第二发射端、第一接收端、第二接收端，分别与控制器连接。

2.   根据权利要求1所述的双通道前向散射能见度检测装置，其特征在于，所述第一、第二发射端的结构相同，所述第一、第二接收端的结构相同，其中：
所述第一、第二发射端，均包括置于壳体内的光发射器、发射端凸透镜、发射端驱动电路，所述发射端驱动电路输入端与光发射器连接，所述发射端驱动电路输出端与控制器连接，所述发射端凸透镜设置在光发射器的光轴上；
所述第一、第二接收端，均包括置于壳体内的接收端凸透镜、光接收器、接收端驱动电路。所述接收端凸透镜设置在光接收器光轴上，所述接收端驱动电路输入端与光接收器连接，所述接收端驱动电路输出端与控制器相连。

3.   根据权利要求2所述的双通道前向散射能见度检测装置，其特征在于，所述光发射器的功率为20mW至200mW，第一发射端与第一接收端的间距、第二发射端与第二接收端的间距均为8厘米至40厘米。

4.   利用权利要求1或2或3所述的双通道前向散射能见度检测装置检测大气能见度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，设置第一接收端与第二接收端之间的夹角θ，确定散射相函数的取值，其中，20°≤θ≤50°；
步骤2，开启第一发射端向被测气团发射检测光，采集第一接收端接收的强度为I11(θ)的前向散射信号以及第二接收端接收的强度为I12(0)的直接信号，结合步骤1中确定的散射相函数取值，得到第一发射端前向散射的大气能见度V1；
步骤3，开启第二发射端向被测气团发射检测光，采集第二接收端接收的强度为I22(θ)的前向散射信号以及第一接收端接收的强度为I21(0)的直接信号，结合步骤1中确定的散射相函数取值，得到第二发射端前向散射的大气能见度V2；
步骤4，由表达式得到大气能见度测量值。

5.   根据权利要求4所述的利用双通道前向散射能见度检测装置检测大气能见度的方法，其特征在于还包括步骤5：重复步骤1至步骤4得到大气能见度的多次检测值，求解大气能见度多次检测值的几何平均值作为大气能见度取值。

说明书双通道前向散射能见度检测装置及检测方法
技术领域
本发明公开了双通道前向散射能见度检测装置及检测方法，属于大气能见度检测的技术领域。
背景技术
能见度的概念最早来源于气象部门，所以在没有特殊说明的情况下，通常所称的能见度就是指大气能见度。能见度通常是视力正常的人在白天无云的天空背景下能够辨认出一个视角为0.5°～5°的黑色目标物体轮廓和形体的最大距离。在夜间则是在黑色背景下能够辨认出一定强度的灯光的最大距离。从上述定义可以知道能见度取决于人眼的生理特性，目标物和背景的光学性质，以及人与目标物间的大气的物理性质。
Koschmieder提出了的“大气光”亮度传输公式，成为白天能见度测量的基本理论，而Allard用灯光照度传输公式补充了夜晚能见度的测量理论，从而形成了完整的能见度测量的理论基础。在这些公式中都揭示了能见度与大气的消光系数有着直接的关系，所以我们只要测得大气消光系数就可以通过计算得到相应的能见度值。而能见度测量仪就是根据这个原理，通过直接或者间接地测量大气的消光系数来获得能见度的仪器。
现有的能见度检测仪有：仅包含一个发射端和一个接收端的检测装置；包含一个发射端和两个接收端的检测装置。仅包含一个发射端和一个接收端的检测装置：在恶劣环境应用因为接收端镜头容易受到灰尘污染的缘故，接收端接收的前向散射信号强度降低，导致检测的大气能见度有正方向误差。包含一个发射端和两个接收端的检测装置：在恶劣环境应用因为两个接收端镜头容被灰尘污染的程度有差异的缘故，检测的大气能见度存在误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了双通道前向散射能见度检测装置及检测方法。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
双通道前向散射能见度检测装置，包括第一、第二发射端，第一、第二接收端、控制器，其中：所述第二接收端设置在第一发射端光信号直接传播路径上，所述第一接收端设置在第二发射端光信号直接传播路径上，所述第一发射端、第二发射端、第一接收端、第二接收端，分别与控制器连接。
所述双通道前向散射能见度检测装置中，述第一、第二发射端的结构相同，所述第一、第二接收端的结构相同，其中：
所述第一、第二发射端，均包括置于壳体内的光发射器、发射端凸透镜、发射端驱动电路，所述发射端驱动电路输入端与光发射器连接，所述发射端驱动电路输出端与控制器连接，所述发射端凸透镜设置在光发射器的光轴上；
所述第一、第二接收端，均包括置于壳体内的接收端凸透镜、光接收器、接收端驱动电路。所述接收端凸透镜设置在光接收器光轴上，所述接收端驱动电路输入端与光接收器连接，所述接收端驱动电路输出端与控制器相连。
所述双通道前向散射能见度检测装置中，光发射器的功率为20mW至200mW，第一发射端与第一接收端的间距、第二发射端与第二接收端的间距均为8厘米至40厘米。
所述双通道前向散射能见度检测装置检测大气能见度的方法，包括如下步骤：
步骤1，设置第一接收端与第二接收端之间的夹角θ，确定散射相函数的取值，其中，20°≤θ≤50°；
步骤2，开启第一发射端向被测气团发射检测光，采集第一接收端接收的强度为I11(θ)的前向散射信号以及第二接收端接收的强度为I12(0)的直接信号，结合步骤1中确定的散射相函数取值，得到第一发射端前向散射的大气能见度V1；
步骤3，开启第二发射端向被测气团发射检测光，采集第二接收端接收的强度为I22(θ)的前向散射信号以及第一接收端接收的强度为I21(0)的直接信号，结合步骤1中确定的散射相函数取值，得到第二发射端前向散射的大气能见度V2；
步骤4，由表达式得到大气能见度测量值。
所述利用双通道前向散射能见度检测装置检测大气能见度的方法，还包括步骤5：重复步骤1至步骤4得到大气能见度的多次检测值，求解大气能见度多次检测值的几何平均值作为大气能见度取值。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：避免了现有技术中在接收端镜头被污染时测量精度降低的缺陷，同时避免了现有技术中两个接收端要求保持高度一致性的缺陷。
附图说明
图1为现有技术一所述大气能见度检测装置的示意图。
图2为现有技术二所述大气能见度检测装置的示意图。
图3为本发明所述大气能见度检测装置的示意图。
图4为本发明简化的大气能见度检测装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
如图1和图2所示的现有技术中的大气能见度检测装置：发射端发射光的光强为I(0)的红外线，应用负反馈的方法稳定发射光的光强；接收端应用老化修正来对接收到的信号进行修正。两种大气能见度检测装置的检测精度都会因为接收端镜头被污染而降低。此外，图2所示的检测装置要求两个接收端保持高度的一致性，如果某个外部特性（如电源电压、温度等）变化对两个接收端影响不完全一致时，亦会引起接收端镜头受到不同污染同源的测量误差。
本发明涉及的双通道前向散射能见度检测装置如图3所示，包括第一、第二发射端，第一、第二接收端、控制器。第二接收端设置在第一发射端光信号直接传播路径上，第一接收端设置在第二发射端光信号直接传播路径上，第一发射端、第二发射端、第一接收端、第二接收端，分别与控制器连接。控制器实现包括但不限于发射控制、信号放大、滤波、信号整形、温度补偿、老化补偿、序列识别、降噪等功能。引入两个发射端，测量出两个能见度数据在确定最终能见度测量值，
因此，在降低发射端与接收精度的前提下同样可以达到能见度检测精度，可以对发射端、接收端的结构：去掉光强稳定、温度监控、老化修正这些子模块，如图4所示。第一、第二发射端的结构相同，第一、第二接收端的结构相同。第一、第二发射端，均包括置于壳体内的光发射器、发射端凸透镜、发射端驱动电路，发射端驱动电路输入端与光发射器连接，发射端驱动电路输出端与控制器连接，发射端凸透镜设置在光发射器的光轴上。第一、第二接收端，均包括置于壳体内的接收端凸透镜、光接收器、接收端驱动电路。接收端凸透镜设置在光接收器光轴上，接收端驱动电路输入端与光接收器连接，接收端驱动电路输出端与控制器相连。光发射器为激光发射器或者红外发射器。
此外，发射端的发射端发射功率约为60mW，数值范围是20mW～200mW，减小了发射端的尺寸，现有技术中发射功率一般为300mW～1W；发射端与接收端间距为12厘米，数值范围是8厘米～40厘米；现有技术中发送端与接收端间距典型值为80厘米，数值范围是40厘米～120厘米。
本发明基于以下三个基本前提条件进行前向散射法能见度反演。
第一个前提是大气是水平均质的，即大气在水平方向均匀分布；大气的对光的吸收作用可以忽略，此时大气消光系数σ等于大气中雾、霾和雨的散射系数KS，即大气分子的吸收或分子内部交互光学效应为零；散射仪测量的散射光强正比于散射系数，而与散射粒子的大小无关，在一般情况下，选择适当的角度，散射信号近似正比于散射系数。第一个前提是所有能见度测量仪的设计基础，因为无论用那种方法测量能见度，所采集的样本(被测大气粒子)都不可能包含所有的大气粒子，任何测量方法都是用一小团被测样本代替所有大气粒子的集合的。但自然界能见度的变化是大范围且相对缓慢的过程，在相对较小(几十公里)的范围内可以认为大气是水平均质的，即可以用测量样本得到的能见度代替小范围内的大气能见度。
第二个前提的正确性是由大气分子与大气中悬浮物的光学特性决定的，经过大量实验证明：在以可见光和近红外光为入射光线时，大气溶胶对入射光的吸收作用十分微弱，大气溶胶对入射光的削弱作用主要体现在散射上，此时大气的消光系数等于大气的散射系数。
第三个前提条件是由Mie散射理论和一些实验数据证明的。根据大量实验的数据统计，20°≤θ≤50°时散射相函数P(θ)基本为常数，此时再根据Mie散射理论，得到前向散射角为20°≤θ≤50°时大气粒子的散射光强度I(θ)与大气粒子散射系数σs、散射相函数P(θ)和发射端发射光的光强I(0)之间存在线性关系：
I(θ)=σsP(θ)I(0)I                       （1），
由Koschmieder和式（1），我们可以得到大气粒子的前向散射角为θ的散射光强度I(θ)和大气能见度V之间有下列关系：