透射式能見(jiàn)度儀動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法

肖韶榮，吳群勇，周 佳，徐 猛，尚國(guó)慶

(1.南京信息工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

引言

能見(jiàn)度是重要的氣象要素之一，它的測(cè)量可應(yīng)用于氣象、航空、航海、道路交通等部門，在激光通信、圖像傳輸中也產(chǎn)生重要影響。能見(jiàn)度的測(cè)量主要有散射法、透射法、目測(cè)法等，透射法是嚴(yán)格定義下的能見(jiàn)度測(cè)量方法[1]。能見(jiàn)度測(cè)量的核心問(wèn)題是對(duì)大氣消光系數(shù)的測(cè)量，大氣氣溶膠粒子是大氣消光的最主要因素，消光系數(shù)等于吸收系數(shù)與散射系數(shù)之和[2-3]。對(duì)于透射式能見(jiàn)度儀，發(fā)射器發(fā)射光強(qiáng)及基線固定時(shí)，可通過(guò)計(jì)算接收器檢測(cè)的接收光強(qiáng)與發(fā)射光強(qiáng)的比值求得消光系數(shù)，根據(jù)消光系數(shù)反演大氣能見(jiàn)度值。散射法中選擇大氣吸收區(qū)以外的光波長(zhǎng)，以某一方向的散射系數(shù)代表光束傳輸過(guò)程中的總散射系數(shù)，并將該散射系數(shù)視為大氣消光系數(shù)。另一方面，散射法的取樣區(qū)域較小，取樣代表性較差。因此，散射法的準(zhǔn)確度不如透射法。

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍指能正常檢測(cè)時(shí)接收機(jī)輸入端的信號(hào)變化范圍。動(dòng)態(tài)范圍下限受接收機(jī)靈敏度限制，在未采用信號(hào)處理?xiàng)l件下，該下限受接收機(jī)輸入端等效噪聲電平的限制；其上限則受放大器過(guò)載飽和或波形非線性失真規(guī)定值的限制[4]。只有在接收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍之內(nèi)測(cè)得的光強(qiáng)值，計(jì)算出的能見(jiàn)度才準(zhǔn)確，可見(jiàn)能見(jiàn)度儀的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)其測(cè)量很重要，因此擴(kuò)展儀器的動(dòng)態(tài)范圍是有一定實(shí)際意義的。文獻(xiàn)[5]中提到能見(jiàn)度儀接收器的飽和溢出問(wèn)題，并提出采用自動(dòng)增益控制(AGC)技術(shù)[6]來(lái)擴(kuò)展接收器的動(dòng)態(tài)范圍。但是，反饋電阻的電子噪聲對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量產(chǎn)生較大影響，且自動(dòng)增益控制技術(shù)不能改善光電探測(cè)器非線性響應(yīng)或飽和問(wèn)題。本文提出利用光學(xué)衰減片與電機(jī)組合來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，降低了反饋電阻噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，解決了因探測(cè)器飽和引起的系統(tǒng)輸出問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)性能。

1 能見(jiàn)度測(cè)量原理

能見(jiàn)度在氣象上的定義是：標(biāo)準(zhǔn)視力的眼睛觀察水平方向以天空為背景的黑體目標(biāo)物時(shí)，能從背景上分辨出目標(biāo)物輪廓的最大水平距離。世界氣象組織用氣象光學(xué)視程對(duì)能見(jiàn)度定義為“白熾燈在色溫2 700 K時(shí)發(fā)出的平行光束，光通量在大氣中衰減至初始值的5%時(shí)所經(jīng)過(guò)的路徑長(zhǎng)度”[8]。

世界氣象組織規(guī)定，對(duì)于氣象能見(jiàn)度，視覺(jué)閾值ε=0.02，根據(jù)Koschmieder定律，能見(jiàn)度R表示為[9]

(1)

式中，σ為大氣水平消光系數(shù)。

對(duì)于氣象光學(xué)視程，ε=0.05，能見(jiàn)度R表示為

(2)

透射式能見(jiàn)度儀的光學(xué)原理圖如圖1所示。

圖1 透射式能見(jiàn)度儀光學(xué)原理圖Fig.1 Optical schematic diagram of transmittance meter

由Bouguer-Lambert定律，大氣消光系數(shù)σ為

(3)

式中:L為基線長(zhǎng)度，即發(fā)射器到接收器之間的距離;I為經(jīng)傳輸距離L衰減后的接收光強(qiáng);I0為發(fā)射器發(fā)射光強(qiáng)。根據(jù)Koschmieder定律可求得氣象能見(jiàn)度R的計(jì)算公式：

(4)

2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法

對(duì)于透射式能見(jiàn)度儀，在確定能見(jiàn)度測(cè)量范圍下限時(shí)，為提高接收系統(tǒng)對(duì)微弱光信號(hào)的檢測(cè)，通常需要設(shè)置較高的系統(tǒng)靈敏度[10]。然而在大氣透明度高、透射光較強(qiáng)環(huán)境中，高靈敏度容易使系統(tǒng)飽和，限制了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，限制了能見(jiàn)度測(cè)量范圍的上限。同樣，在確定能見(jiàn)度測(cè)量范圍上限時(shí)，為防止較強(qiáng)的光信號(hào)使系統(tǒng)飽和，通常設(shè)置較低的系統(tǒng)靈敏度，但在大氣透明度低、透射光微弱時(shí)，較低的靈敏度會(huì)降低系統(tǒng)對(duì)微弱光信號(hào)的檢測(cè)能力，限制了能見(jiàn)度測(cè)量范圍的下限。

目前主要采用自動(dòng)增益控制技術(shù)來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，采用多路開(kāi)關(guān)選擇不同阻值的反饋電阻，通過(guò)電路反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)接收光信號(hào)微弱時(shí)，提高系統(tǒng)增益；接收光信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，降低系統(tǒng)增益。然而，自動(dòng)增益控制技術(shù)的電子噪聲對(duì)系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生較大影響，同時(shí)較強(qiáng)光信號(hào)會(huì)使探測(cè)器飽和，甚至?xí)蛊鋼p壞[11]。而利用電機(jī)與光學(xué)衰減片的組合，通過(guò)降低接收光強(qiáng)度，一定程度上保護(hù)了光電探測(cè)器，也保證了系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2是接收系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展框圖。測(cè)量中，發(fā)射模塊采用經(jīng)1 KHz方波調(diào)制的LED光源，接收模塊采用PIN13DSB光電探測(cè)器的零偏置模式，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路將光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；再經(jīng)中心頻率為1 KHz的帶通濾波電路提取可用的正弦信號(hào)；正弦信號(hào)通過(guò)有效值轉(zhuǎn)換電路輸出直流信號(hào)；經(jīng)過(guò)后置放大、濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，使接收光信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有線性關(guān)系的電壓信號(hào)；再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)微處理器處理后顯示測(cè)量數(shù)據(jù)；測(cè)量中，通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程，設(shè)置接收光信號(hào)的閾值，當(dāng)接收光信號(hào)達(dá)到閾值時(shí)，單片機(jī)程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，切換衰減片狀態(tài)。測(cè)量中采用中性密度衰減片，設(shè)衰減片的透過(guò)率為α，系統(tǒng)的飽和閾值光強(qiáng)為ITH，且經(jīng)衰減片衰減后的光強(qiáng)值IN=αITH，加入衰減片后的系統(tǒng)能接收的最大光強(qiáng)為IM=ITH/α。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Block diagram of measurement system

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能：a)光強(qiáng)超過(guò)ITH時(shí)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，衰減片置于光路中，擴(kuò)展系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍；b)光強(qiáng)值低于IN時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，衰減片處于光路外，完成系統(tǒng)對(duì)弱光信號(hào)的檢測(cè)；c)衰減片狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)掉電后再次啟動(dòng)，能自動(dòng)判斷衰減片的狀態(tài)。

2.2 信號(hào)處理

如圖2所示，若發(fā)射光信號(hào)是脈寬為τ，周期為T，幅度為I0的光脈沖信號(hào)，由光學(xué)和信號(hào)理論分析可知，發(fā)射光信號(hào)表示為

(5)

其中:u(t)為單位階躍信號(hào);n為脈沖序數(shù)。經(jīng)基線為L(zhǎng)、透過(guò)率為α的衰減片后，光電探測(cè)器接收的光信號(hào)為

(6)

光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)為

U(t)=-Rfi(t)=-ρRfI(t)

(7)

式中:i(t)為光電探測(cè)器輸出的電流信號(hào);Rf為轉(zhuǎn)移電阻;ρ為光電探測(cè)器的響應(yīng)率。通過(guò)帶通濾波器后的輸出為[12]

e-σ Lej[ω0t-ΦA(chǔ)(ω0)]

(8)

式中:ω0=2πf0為帶通濾波器的中心頻率;A(ω0)為濾波器的增益;ΦA(chǔ)(ω0)為濾波器引入的相移。濾波器輸出的1 kHz正弦波信號(hào)通過(guò)有效值轉(zhuǎn)換后輸出的直流電壓信號(hào)表示為

(9)

經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換電路輸出的直流電壓信號(hào)幅度較小，不利于AD的采樣，因此需要進(jìn)行后置放大、無(wú)源濾波處理，信號(hào)處理后的輸出可表示為

(10)

式中，k為放大濾波處理后的比例系數(shù)。令α=1，L=0，由(10)式可求得發(fā)射光強(qiáng)對(duì)應(yīng)輸出的電信號(hào)：

(11)

由(10)、(11)式，將大氣消光系數(shù)表達(dá)為

(12)

式中K為儀器定標(biāo)常數(shù)。(12)式表明大氣消光系數(shù)可由發(fā)射光、透射光的電壓信號(hào)和衰減片的透過(guò)率確定。

3 測(cè)量結(jié)果與討論

測(cè)量中通過(guò)改變加載到LED光源的調(diào)制信號(hào)的幅度控制LED光源的發(fā)射光強(qiáng)。設(shè)置系統(tǒng)飽和光強(qiáng)閾值為ITH，采用透過(guò)率α=60%中性密度衰減片，根據(jù)理論計(jì)算IM=ITH/α=1.67ITH；若α=12%，則IM=8.33ITH。程序中通過(guò)控制電機(jī)的順時(shí)針、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)來(lái)降低電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度誤差。

3.1 兩種方式實(shí)現(xiàn)電路增益調(diào)節(jié)的比較

圖3是未加衰減片電路的輸出波形，頻率為1 kHz，峰峰值為496 mV的脈沖信號(hào)。以圖3作為參照，圖4是加入衰減片(α=60%)后的電路輸出波形；圖5是未加衰減片，通過(guò)減小反饋電阻來(lái)降低電路增益的電路輸出波形；圖6是為未加衰減片，通過(guò)增大反饋電阻來(lái)提高電路增益的輸出波形。

圖3 未加衰減片電路輸出波形Fig.3 Circuit output waveform without attenuator

圖4 加衰減片電路的輸出波形Fig.4 Circuit output waveform with attenuator

圖5 減小反饋電阻電路的輸出波形Fig.5 Circuit output waveform by decreasing feedback resistance

圖6 增大反饋電阻電路的輸出波形Fig.6 Circuit output waveform by increasing feedback resistance

從圖3、圖4可知，信號(hào)的波形在衰減前后只在幅度上降低，波形未發(fā)生變化；從圖3、圖5、圖6可知，信號(hào)的波形在幅度變化的同時(shí)，也疊加了較多毛刺?？梢?jiàn)，通過(guò)衰減片來(lái)調(diào)節(jié)電路的增益不會(huì)引入電子噪聲，而通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻來(lái)調(diào)節(jié)電路增益，則容易引入較多的電子噪聲。

3.2 衰減片透過(guò)率對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展的影響

圖7是未加衰減片時(shí)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果圖，圖8是加入衰減率為α=60%的中性密度衰減片后系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果圖；圖9、圖10為α=12%時(shí)未加衰減片和加衰減片的測(cè)量結(jié)果圖。需說(shuō)明的是，圖7、圖8是在系統(tǒng)同一靈敏度下的測(cè)試結(jié)果，圖9、圖10為系統(tǒng)在另一相同靈敏度下的測(cè)試結(jié)果。

圖7 未加衰減片測(cè)量結(jié)果圖Fig.7 Measurement map without attenuator

圖8 加衰減片測(cè)量結(jié)果圖Fig.8 Measurement map with attenuator

圖9 未加衰減片測(cè)量結(jié)果圖Fig.9 Measurement map without attenuator

圖10 加衰減片測(cè)量結(jié)果圖Fig.10 Measurement map with attenuator

基于最小二乘法，分別對(duì)圖7、圖8、圖9、圖10中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在線性區(qū)作直線擬合，結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理表Table 1 Form of system data processing

分析表1可知：α=60%時(shí)，加衰減片后，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展了0.6倍；α=12%，加衰減片使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展了6.9倍。衰減片的衰減率與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍成正比例關(guān)系，衰減率越大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展越大。因此，可通過(guò)選擇不同衰減率的中性密度衰減片，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的靈活擴(kuò)展。

3.3 衰減片透過(guò)率的測(cè)試精度對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響

分析(10)式，等式兩邊作微分：

(13)

(13)式除以(10)式，得

(14)

從(14)式可知，衰減片透過(guò)率α取值固定時(shí)，衰減片越穩(wěn)定，系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的不確定度就越??；衰減片透過(guò)率α的誤差范圍確定時(shí)，衰減片透過(guò)率越高，系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的不確定度就越小。

4 結(jié)論

通過(guò)光學(xué)衰減片與電機(jī)組合，能夠有效擴(kuò)展系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍。特別值得注意的是利用光學(xué)衰減片來(lái)實(shí)現(xiàn)電路動(dòng)態(tài)范圍的擴(kuò)展不會(huì)引入電子噪聲，且在一定程度上克服了光電探測(cè)器的非線性響應(yīng)或飽和對(duì)測(cè)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)單可靠。同時(shí)，可選擇不同衰減率的中性密度衰減片，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)范圍的靈活擴(kuò)展。

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