基于OPT101器件的大氣能見度檢測系統

劉育豐, 李 民, 劉乃友

(1. 中海油能源發展股份有限公司北京分公司, 北京100027; 2. 山東省海洋環境監測技術重點實驗室, 山東省科學院海洋儀器儀表研究所, 山東 青島 266001)

大氣能見度(Visibility)是反映大氣透明度的一個指標, 它是一個對軍事活動以及航空、航海、陸上交通等都有重要影響的氣象要素[1]。經過國內外科研人員多年的研究, 現在已經開發出了多種能見度測量儀, 如透射式、散射式、激光雷達式等[2-3]。其中, 基于散射原理的能見度儀以其體積小、價格低、便于安裝等優點而廣泛應用于氣象、海洋、航空、交通等領域[4]。其技術已漸趨成熟, 國內外已有產品, 如芬蘭維薩拉公司、美國Enviro Tech公司及我國長春氣象儀器廠、洛陽卓航等研制的產品。由于能見度信號非常微弱, 傳統的檢測技術一般采用分離元件進行微弱信號的檢測, 易受噪聲干擾, 隨著集成電路技術的發展, 先進集成器件在抑制噪聲、便捷應用方面越來越成熟, 因此, 本文提出一種基于先進集成器件OPT101的能見度檢測系統。

1 系統設計

1.1 總體設計

本系統是基于前向散射原理設計的, 通過測量一定采樣體積的前向散射方向的大氣散射光強, 來進行大氣能見度的測量。如圖1所示, 系統主要由發射模塊、接收模塊、鎖相放大模塊、信號采集處理模塊、電源模塊及支撐機械機構等部分組成。

紅外發光二極管LED經電路調制后, 發出一定調制頻率的光, 經透鏡以一定發散角出射, 照射到采樣大氣上, 經大氣散射后, 散射光經接收模塊的透鏡匯聚到接收器件上, 光強信號轉換為相應的電信號, 經放大、濾波后輸入到鎖相放大模塊, 同時, 發射模塊的調制信號經移相后, 也輸入到鎖相放大模塊, 經鎖相放大后, 輸出散射光強的電壓信號, 再經過信號采集與數據處理, 輸出相應的能見度值到上位機, 完成能見度的檢測。接收模塊透鏡前端設置窄帶干涉濾光鏡, 僅允許發射光源波長附近的光通過, 有效減少外界雜光的干擾。

前向散射儀散射角的確定主要取決于各個方向的散射光強弱, 理論證明, 散射角一般取在20°～50°之間為宜, 本文取為33°。發射器與接收器之間的距離選為1.2～1.5 m, 紅外發光管波長選為880 nm。

1.2 基于集成器件的光電接收設計

由于大氣散射信號非常微弱, 光電接收部分是系統的關鍵, 其主要功能是對微弱信號進行放大、濾波處理, 其結構框圖如圖2。

前向散射式能見度儀所使用的光電接收器件的選擇除符合一般選擇光電接收器件所應滿足的條件之外, 還應在可靠性、工藝特性等方面有良好的性能, 另外散射式能見度系統檢測的信號非常微弱, 對其前置放大電路的要求非常高。本文采用集成前置放大電路的 PIN 光電二極管, 型號為BB公司的OPT101[5], 輸出信號為電壓信號, 輸出電壓隨光敏器件上的光強度成線性變化。由于光敏器件和前置放大電路集成一起, 有效降低了分離器件的噪聲影響。在 880 nm 附近, 峰值同 LED 的光譜功率分布有很好的匹配, 另外它具有響應度高, 響應速度快的特點, 作為一種半導體器件當然也具有高可靠性, 長壽命以及易于同其他電子元件耦合的優點。

圖1 大氣能見度檢測原理示意圖 Fig. 1 Diagram of visibility measurement system

圖2 接收模塊電路框圖 Fig. 2 Diagram of receiving model

其接收電路如圖3, OPT101輸出包含背景光的影響, 采用電容隔直作用, 首先把直流分量濾除。光電接收器件輸出信號微弱, 為防止一級放大倍數過大造成信號干擾, 采用初級和次級兩級放大方式, 放大器件采用AD620儀表放大器, 如圖4。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器, 僅需要一個外部電阻來設置增益, 并且增益范圍為1至10 000。AD620具有高精度(最大非線性度40×10－6)、低失調電壓(最大50 μV)、低失調漂移(最大0.6 μV/℃)、以及低噪聲、低輸入偏執電流和低功耗等諸多特性, 使之非常適合微弱信號的精密數據采集系統。初級放大倍數設置為50。

初級放大的信號經過帶通濾波后, 再經過次級放大后, 輸入到鎖相放大電路。次級放大倍數設置為100。帶通濾波電路采用二階壓控帶通濾波電路。

圖3 光電接收電路 Fig. 3 Receiving circuit

圖4 信號放大處理電路 Fig. 4 Amplifying circuit

2 實驗

由上述設計, 研制了能見度檢測系統樣機, 并進行了一系列試驗, 驗證其性能。

2.1 重復性實驗

對研制的樣機, 在實驗室光照、溫濕度等環境不變的情況下, 進行了近30 min的重復性實驗, 采樣間隔10 s。實驗曲線如圖5, 結果表明能見度檢測的重復性2σ優于9 m, 且多次測量的穩定性較好。

2.2 樣機標定

由前述理論可知, 當系統光學、電學等參數固定后, 消光系數和散射光強經放大后的電壓值基本呈正比例關系, 系統的標定曲線可近似為y=kx+b, 知道兩點即可求出k和b。通過實驗, 確定較高能見度和較低能見度時電壓(mV)和消光系數(km-1)對應的兩點(1,0.1863), (2400,100), 可求出標定曲線, 最后確定標定曲線參數為:k=0.041606,b=0.14469。

2.3 現場比測實驗

在樓頂空曠處, 將樣機與美國Enviro Tech能見度傳感器進行了大量比測實驗, 結果表明, 在50～ 16 000 m量程范圍內, 樣機與美國能見度變化趨勢一致性較好, 在5 000 m以內低能見度情況下, 比測誤差基本在±20%內, 數據比較穩定, 大于5 000 m的高能見度情況下, 大部分比測誤差也基本在±20%內, 但數據不太穩定, 奇異誤差較多。如圖6為近15 h的比測實驗, 星號曲線為美國Enviro Tech能見度測量值, 另一條曲線為自己研制樣機的測量值, 可見, 一致性很好。比測誤差曲線如圖7, 相對誤差基本在0～40%范圍內, 而且基本都是正值, 說明有一個系統誤差存在, 可能是標定不準確的原因。

圖5 實驗室環境能見度重復性實驗 Fig. 5 Repeatability measurement in laboratory

3 結論

采用先進的集成前置放大的光電檢測傳感器, 實現微弱光電信號的檢測和前置放大, 克服了傳統分離器件前置放大易受噪聲干擾的不足, 提高了數據的準確度和儀器的穩定性。實驗表明該系統設計是有效的。

圖6 能見度比測曲線 Fig. 6 Visibility Measurement Curve

圖7 能見度比測誤差曲線 Fig. 7 Visibility Measurement Error Curve

[1] 曾書兒, 王改利. 能見度的觀測及其儀器[J].應用氣象學報, 1999, 10(2): 207-212.

[2] 肖韶榮, 高志山, 廖延彪. 基于直角棱鏡的氣體傳感器在能見度測量中的應用[J]. 中國激光, 2006, 33(1): 81-84.

[3] 施德恒, 劉新建, 黃國慶, 等. 一種透射式跑道能見度激光測量儀研究[J]. 激光技術, 2003, 27(25): 419-422.

[4] 韓永, 謝晨波, 饒瑞中, 等. 基于光散射技術的兩種能見度探測方法的比較分析[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(2): 173-176.

[5] Texas Instruments. Monolithic photodiode and single-supply transimpedance amplifier[EB/OL]. 2003-07- 07.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/opt101.pdf.