前向散射能见度仪研制

张世松 张月亮

（安徽蓝盾光电子股份有限公司，安徽 铜陵 244000）

近年来，随着我国高速公路的快速发展，交通运输的安全成为社会关注焦点。因大雾天气造成高速公路车辆追尾，导致车毁人亡的严重交通事故屡有发生。交通监管部门及时准确监测能见度数据、实时发布能见度预警信息是避免严重交通事故有效手段。目前我国能见度数据大都依靠人工观测得来、主观因素过多、影响数据准确性，用能见度测试仪代替人工观测是必然趋势。能见度作为一个重要的地面气象观测要素，在气象观测业务中已有近百年的历史。目前，市场上能见度仪产品被芬兰、英国等国家产品所垄断，因而进口产品价格十分昂贵。为实现国产化，替代进口，安徽蓝盾光电子股份有限公司与中国科学院安徽光机所通力合作，成功研制出HW-N1型前向散射能见度仪，产品性能指标完全达到或优于国外同类产品水平。

1.工作原理

能见度概念提出的物理基础是红外辐射光源与大气中分子和气溶胶粒子之间相互作用产生的各种物理过程。其中气溶胶粒子是低层大气中最常见的散射介质，在光的照射下，由于照射光振荡电磁场的作用，散射体产生极化而感应出振荡电磁多极子。散射体电磁多极子产生的电磁振荡，向各个方向辐射出电磁波，形成光散射过程。

气溶胶粒子对光的散射是立体的、全方位的。从原理上来讲，可以测量任何角度的光散射，提取大气能见度信息。若以大气样本中心（收、发光轴相交点）为锥顶、发射器光轴为锥轴、以过锥顶且垂直于锥轴的平面为分界、可把散射空间划分为前后两区，与发射器不同侧为前向散射区、反之为后向散射区。通常将接收器位于前向散射区的能见度仪称为前向散射能见度仪，将接收器位于后向散射区的能见度仪称为后向散射能见度仪。本文介绍的能见度仪属于前者。

前向散射式能见度仪工作原理：其发射器以红外LED作为光源，通过透镜、经脉冲调制后光源照射到采样空间，采样空间内的气溶胶粒子对光产生散射，散射量大小与气溶胶粒子的尺寸、浓度相关，气溶胶粒子的尺寸、浓度又与大气能见度相关。散射光经滤光片滤出、接收器探测到前向散射信号，并根据一定角度上的散射信号与总散射量的关系确定总散射系数，由CPU通过专门算法转化为能见度值。

2.系统设计

一套完整能见度仪系统主要由机械结构、光学系统、硬件、软件程序等构成。

图1：能见度仪机械结构图

2.1 机械结构

HW-N1型能见度仪机械结构主要包括：能见度传感器、太阳能板、立杆、蓄电池等（如图1所示）。

能见度传感器作为大气能见度仪主要的部件之一，它由发射器、接收器、横臂支架等组成（如图2所示）。能见度传感器横臂支架、斜块均选用5A05航空铝材，经机械加工、铝钎焊焊接而成。横臂支架是保证发射器、接收器相互位置及角度的基础。分别通过发射器、接收器的端盖与焊接式横臂支架上斜块装配定位后形成一套完整能见度传感器。按照光学系统设计要求、保证图2所示α1=α2、β 等参数是关键。

图2：能见度传感器结构图

选用厚度6mm镀锌钢板焊接成蓄电池盒作为底座，底座再与直径为89mm镀锌钢管焊接，制成能见度仪立杆，并对其表面进行热浸锌、喷塑工艺处理。立杆具有耐腐蚀、美观的特点。

太阳能板、蓄电池、光伏控制器组成了太阳能供电系统，该系统可保证连续两周阴雨天情况下、设备正常供电。

2.2 光学系统

HW-N1型前向散射能见度仪属于光电测量仪器，其构造离不开光学系统。光学系统设计任务包括：确定工作角度、发射器光路设计与接收器光路设计（如图3）。接收器光轴与发射器光轴相交的锐角θ 为其工作角度。选择工作角度原则是方向散射量较大、以保证测量信号足够大、信噪比足够高，同时，应避免发射器的辐射光束直接射入接收器。实践证明，在向前方向30°-50°散射角域内，具有更强散射光、且角散射系数与总散射系数的比例因子更加稳定。基于上述原则，系统选用35°工作角度。

图3：能见度光学系统图

发射器光路系统由光源、透镜组成。系统选用880nm红外发光二极管作为光源，透镜我们选取火石光学玻璃并将透镜的表面加镀增透薄膜。透镜作用是将红外发光二极管发出的红外光束的发散角压窄，使发射光束能量体积密度增加。加镀增透薄膜可减少透射光能的发射损失，提高工作光谱带的透过率。

接收器光路系统由探测光电管、透镜、滤光片组成。探测光电管作用是探测被发射器发射、大气散射的部分红外光脉冲，输出与这部分红外光脉冲成正比的模拟电源信号。系统选用离子着色选择性吸收玻璃为滤光片。

2.3 硬件设计

HW-N1型前向散射能见度仪硬件，包括发射单元、接收单元、采集控制单元等。

HW-N1型前向散射能见度仪发射器由一个红外LED、控制、光强度监测器等组成。发射单元按固定频率发射。一个反馈光敏二极管监控发射光的强度，并用来反馈调整光强变化至预置值，其产生的能量信号送到采集控制器处理。其发射器原理（如图4）。

图4：发射器原理框图

其接收器由光电传感器、滤波放大器、交流放大器等组成，接收光敏二极管检测从大气气溶胶散射的光脉冲。这个信号被经同步解调器再经过过滤、放大后得到了能见度信号，并将该信号送到采集控制器处理。其接收器原理（如图5）。

图5：接收器原理框图

其采集、控制器由微处理器A/D转换电路、通讯接口等组成。来自发射器的能量信号与来自接收器的能见度信号经模拟开关、A/D转换器后送入微处理器处理。控制器以89C52微处理器为基础，系统选用DS12887A+高精度时钟芯片、14位A/D转换器进行数模转换。采集、控制器除了数据获取和内部控制功能外，还具有利用串行RS－232口进行通讯功能。其采集、控制器原理（如图6）。

图6：采集、控制器原理框图

2.4 软件程序

HW-N1型能见度仪软件程序包括下位机程序和上位机监控软件两种。

下位机程序编码是基于KEIL环境下开发而成，程序包括信号处理计算程序、系统计时程序和数据通讯程序等。在硬件重置或启动后，程序初始化它的工作数据结构。系统正常后，程序将自动执行信号处理计算、系统计时和数据通讯等相关程序。下位机程序流程图（如图7）。

图7：下位机程序流程图

上位机监控软件是客户端软件，由类GIS全图展示、单点实时信息显示、报表图形查询、报警设置、用户管理和定时文件传输等功能模块组成。形象的类GIS全图展示方便用户快速定位监测点能见度信息；丰富的报表图形查询提供了任意时段任意要素的历史数据；能见度监测要素设置了三级报警，便于管理者发布紧急情况下能见度信息。

3.结束语

在安徽蓝盾光电子股份有限公司与中国科学院安徽光机所通力合作下，研制成功的HW-N1型前向散射能见度仪经国家有关部分检测，产品性能指标完全达到或优于国外同类产品水平。该产品成功研制为实现前向散射能见度仪国产化、打破国外产品垄断，起到了应有的作用。

[1]徐灏.机械设计手册[Z].北京：机械工业出版社,2000.

[2]崔正方.机械设计课程设计及其CAD[M].北京：海洋出版社，2000.

[3]李春亮.能见度测量技术100 问[M].北京：气象出版社，2010.