基于前向散射原理的能見度儀設(shè)計

李佳　安素霞　韓振宇　蘇振

摘要：前向散射式能見度儀主要用來測量前向散射式光線的強度，通過得出的大氣消光系數(shù)，計算出大氣的能見度值。針對高速公路團霧現(xiàn)象，研制低成本、小型化、低功耗的能見度檢測設(shè)備。通過研制及測試，分析了高速公路團霧預(yù)警方法。

關(guān)鍵詞：能見度;團霧;前向散射;預(yù)警

中圖分類號：TH89

文獻標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.053

1 概述

能見度是指視力正常的人能將目標(biāo)物從背景中識別出來的最大距離。在高速公路上，車速一般都比較高，Is就能行進幾十米，而團霧會突然出現(xiàn)，導(dǎo)致區(qū)域能見度急劇下降，極易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

“團霧”本質(zhì)上也是霧，是受局部地區(qū)微氣候環(huán)境的影響，在大霧中數(shù)十米到上百米的局部范圍內(nèi)，出現(xiàn)霧氣更濃、能見度更低的霧。團霧外視線良好，團霧內(nèi)一片朦朧。團霧預(yù)測預(yù)報難、區(qū)域性強，容易造成重大交通事故。大型團霧可以覆蓋五六千米長的高速公路，小團霧僅有一千米甚至幾百米長。高速公路上的“團霧”現(xiàn)象，具有突發(fā)性、地段性、局部能見度低、難以預(yù)測等特征。

在高速公路的日常巡查中，通常依靠路側(cè)架設(shè)的攝像機和路政巡邏車來監(jiān)測團霧。由于攝像機的布設(shè)密度和路政巡邏車巡邏的強度有限，導(dǎo)致團霧的時間一空間監(jiān)測覆蓋范圍有限，造成團霧的監(jiān)測和預(yù)警不及時。另外，我國部分高速公路，沿路間隔10 - 15 km安裝一套能見度檢測儀，由于目前的能見度儀的量程范圍大，體積相對較大，功耗高，價格高，能見度檢測儀僅能監(jiān)測所在位置附近的能見度變化情況，而無法對狹長路段內(nèi)的團霧進行加密監(jiān)測。基于此情況，研發(fā)了針對低能見度測量設(shè)備，具有設(shè)備小巧、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、售價低、適合大面積安裝的特點。

2 測量原理及結(jié)構(gòu)

2.1 測量原理

能見度是一個復(fù)雜的心理一物理現(xiàn)象，主要受制于懸浮在大氣中的固態(tài)和液態(tài)微粒引起的大氣消光系數(shù)（消光主要是由光的散射而非吸收所引起），同時還取決于觀測者的對比閾值[1]。

MOR通過對比閾值與能見度的直覺概念相聯(lián)系。不同的文獻給出的對比閾值差異較大，0.007 - 0.06。MOR可以用儀器方法測量消光系數(shù)計算得出。

2.2 結(jié)構(gòu)

由于目前通用的前向散射式能見度測量范圍能達到幾十千米，為了達到測量指標(biāo)，重點關(guān)注低能見度的數(shù)值，由于低能見度時大氣顆粒物增多，所以只需檢測很小的一塊區(qū)域，就可以判斷出此區(qū)域能見度大小，因此可以把設(shè)備做得比較小巧，并且不影響檢測精度與靈敏度。能見度結(jié)構(gòu)如圖1所示。能見度檢測主要由發(fā)射模塊、接收模塊、電源模塊、處理模塊、通訊模塊組成。

發(fā)射鏡筒中有一個凸透鏡，主要把發(fā)射的紅外光變成平行光發(fā)射出去。接收鏡筒由三片鏡片組成，散射的紅外線進入接收端后，先進入一個雙凸透鏡，然后進入一個凹凸透鏡，然后通過一個濾光片進入接收燈。為了保證設(shè)備性能的一致性，此設(shè)備結(jié)構(gòu)為一體成型，每臺設(shè)備的光路都在一樣的位置與角度。

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)

3.1 發(fā)射部分

能見度發(fā)射部分原理與電路如圖2所示。

發(fā)射部分主要由1個光電發(fā)射燈、1個三端穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器、1個三極管及1個鏡筒組成。為了保證發(fā)射燈發(fā)送的紅外信號能量穩(wěn)定，在發(fā)射燈前端加上1個三端穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器和1個超級電容;利用ARM輸出的脈沖信號控制三極管的導(dǎo)通與截止，使發(fā)射燈能夠輸出恒定的紅外脈沖信號。

發(fā)射部分示波器圖像如圖3所示，可以看出，在加裝超級電容后，光電發(fā)射燈截止非常迅速。

3.2 接收部分

能見度接收部分原理與電路如圖4所示。

由于光電接收燈接收到的脈沖信號是mV級的電壓信號，為了減小放大電路中噪聲的干擾，只采用一級放大電路，可以減少信號在放大過程中產(chǎn)生過多的干擾信號;在發(fā)射端對光源發(fā)出的光信號進行脈沖調(diào)制，使有用信號具備一些干擾信號所沒有的理特性[3]，采用的AD轉(zhuǎn)換是一個18位的高速AD轉(zhuǎn)換芯片，采樣率為100 kSPS，轉(zhuǎn)換時間為1.5 μs，可以區(qū)分mV級的電壓信號，可以把接收到的電壓信號更加準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

3.3 處理部分

能見度處理部分電路如圖5所示。

能見度處理部分主要由處理模塊和存儲模塊組成，接收到的數(shù)字信號進入單片機進行處理，異常值剔除，對信號進行滑動平均處理，并把處理過的能見度值輸出至通訊部分。

3.4 通訊部分

由于設(shè)備在高速公路上安裝，通常采用無線模塊傳輸信號，在有光纖信號的情況下，可以采用光纖傳輸。此設(shè)備把通訊模塊集成到傳感器內(nèi)部，減小了安裝的復(fù)雜性，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性與可靠性。

3.5 標(biāo)定算法

設(shè)備主要測量的是低能見度，為了更準(zhǔn)確測定能見度，采用多段標(biāo)定的算法，把測量范圍分為多段，每段通過不同標(biāo)定段的標(biāo)定版標(biāo)定參數(shù)，確保測量的一致性與準(zhǔn)確性。

4 實驗結(jié)果分析

CHI為同步信號，CH2為放大器輸出端。15 m、100m、330 m、500 m能見度情況下示波器通過放大器輸出的信號大小如圖6-圖9所示。

由以上圖像可以得出，隨著能見度逐步升高，接收管接收到的紅外信號逐漸降低，且在一個脈沖周期內(nèi)變化穩(wěn)定，能夠反映出能見度的變化趨勢。樣機與Vaisala公司的PWD22能見度進行試驗對比。低能見度情況下反應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。因為團霧往往是突然出現(xiàn)的，為了測定能見度儀的靈敏度，用人造煙霧的方法經(jīng)過測試，能見度在10 s內(nèi)數(shù)值直接下降到lOm，如圖10-圖12所示。

5 結(jié)論

通過對比試驗，得出此種方法檢測的低能見度數(shù)值反應(yīng)迅速，數(shù)據(jù)可靠，能夠及時準(zhǔn)確反應(yīng)能見度的變化趨勢，為高速公路及時提供預(yù)警信息。

參考文獻：

[1]國家氣象局氣候監(jiān)測應(yīng)用管理司.氣象儀器和觀測方法指南[M].6版.北京：氣象出版社，2005.

[2]冶林茂，王道遠，王艷斌，等.雙通道能見度自動測量儀研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2012，35（2）：83-86.

[3]李夢麟，段發(fā)階，歐陽濤，等.前向散射式能見度測量技術(shù)研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報，2008，21（7）：1281-1285.