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      基于前向散射原理的能見(jiàn)度儀設(shè)計(jì)

      2019-09-05 13:42:00李佳安素霞韓振宇蘇振
      科技與創(chuàng)新 2019年10期
      關(guān)鍵詞:能見(jiàn)度預(yù)警

      李佳 安素霞 韓振宇 蘇振

      摘要:前向散射式能見(jiàn)度儀主要用來(lái)測(cè)量前向散射式光線的強(qiáng)度,通過(guò)得出的大氣消光系數(shù),計(jì)算出大氣的能見(jiàn)度值。針對(duì)高速公路團(tuán)霧現(xiàn)象,研制低成本、小型化、低功耗的能見(jiàn)度檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)研制及測(cè)試,分析了高速公路團(tuán)霧預(yù)警方法。

      關(guān)鍵詞:能見(jiàn)度;團(tuán)霧;前向散射;預(yù)警

      中圖分類號(hào):TH89

      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

      DOI: 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.10.053

      1 概述

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

      “團(tuán)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(jiàn)度更低的霧。團(tuán)霧外視線良好,團(tuán)霧內(nèi)一片朦朧。團(tuán)霧預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)難、區(qū)域性強(qiáng),容易造成重大交通事故。大型團(tuán)霧可以覆蓋五六千米長(zhǎng)的高速公路,小團(tuán)霧僅有一千米甚至幾百米長(zhǎng)。高速公路上的“團(tuán)霧”現(xiàn)象,具有突發(fā)性、地段性、局部能見(jiàn)度低、難以預(yù)測(cè)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(jī)和路政巡邏車來(lái)監(jiān)測(cè)團(tuán)霧。由于攝像機(jī)的布設(shè)密度和路政巡邏車巡邏的強(qiáng)度有限,導(dǎo)致團(tuán)霧的時(shí)間一空間監(jiān)測(cè)覆蓋范圍有限,造成團(tuán)霧的監(jiān)測(cè)和預(yù)警不及時(shí)。另外,我國(guó)部分高速公路,沿路間隔10 - 15 km安裝一套能見(jiàn)度檢測(cè)儀,由于目前的能見(jiàn)度儀的量程范圍大,體積相對(duì)較大,功耗高,價(jià)格高,能見(jiàn)度檢測(cè)儀僅能監(jiān)測(cè)所在位置附近的能見(jiàn)度變化情況,而無(wú)法對(duì)狹長(zhǎng)路段內(nèi)的團(tuán)霧進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)?;诖饲闆r,研發(fā)了針對(duì)低能見(jiàn)度測(cè)量設(shè)備,具有設(shè)備小巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、售價(jià)低、適合大面積安裝的特點(diǎn)。

      2 測(cè)量原理及結(jié)構(gòu)

      2.1 測(cè)量原理

      能見(jiàn)度是一個(gè)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(shí)還取決于觀測(cè)者的對(duì)比閾值[1]。

      MOR通過(guò)對(duì)比閾值與能見(jiàn)度的直覺(jué)概念相聯(lián)系。不同的文獻(xiàn)給出的對(duì)比閾值差異較大,0.007 - 0.06。MOR可以用儀器方法測(cè)量消光系數(shù)計(jì)算得出。

      2.2 結(jié)構(gòu)

      由于目前通用的前向散射式能見(jiàn)度測(cè)量范圍能達(dá)到幾十千米,為了達(dá)到測(cè)量指標(biāo),重點(diǎn)關(guān)注低能見(jiàn)度的數(shù)值,由于低能見(jiàn)度時(shí)大氣顆粒物增多,所以只需檢測(cè)很小的一塊區(qū)域,就可以判斷出此區(qū)域能見(jiàn)度大小,因此可以把設(shè)備做得比較小巧,并且不影響檢測(cè)精度與靈敏度。能見(jiàn)度結(jié)構(gòu)如圖1所示。能見(jiàn)度檢測(cè)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(gè)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(jìn)入接收端后,先進(jìn)入一個(gè)雙凸透鏡,然后進(jìn)入一個(gè)凹凸透鏡,然后通過(guò)一個(gè)濾光片進(jìn)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(tái)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(jiàn)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(gè)光電發(fā)射燈、1個(gè)三端穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器、1個(gè)三極管及1個(gè)鏡筒組成。為了保證發(fā)射燈發(fā)送的紅外信號(hào)能量穩(wěn)定,在發(fā)射燈前端加上1個(gè)三端穩(wěn)壓調(diào)節(jié)器和1個(gè)超級(jí)電容;利用ARM輸出的脈沖信號(hào)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(hào)。

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

      3.2 接收部分

      能見(jiàn)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(hào)是mV級(jí)的電壓信號(hào),為了減小放大電路中噪聲的干擾,只采用一級(jí)放大電路,可以減少信號(hào)在放大過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多的干擾信號(hào);在發(fā)射端對(duì)光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制,使有用信號(hào)具備一些干擾信號(hào)所沒(méi)有的理特性[3],采用的AD轉(zhuǎn)換是一個(gè)18位的高速AD轉(zhuǎn)換芯片,采樣率為100 kSPS,轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.5 μs,可以區(qū)分mV級(jí)的電壓信號(hào),可以把接收到的電壓信號(hào)更加準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

      3.3 處理部分

      能見(jiàn)度處理部分電路如圖5所示。

      能見(jiàn)度處理部分主要由處理模塊和存儲(chǔ)模塊組成,接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理,異常值剔除,對(duì)信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)平均處理,并把處理過(guò)的能見(jiàn)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(wú)線模塊傳輸信號(hào),在有光纖信號(hào)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(cè)量的是低能見(jiàn)度,為了更準(zhǔn)確測(cè)定能見(jiàn)度,采用多段標(biāo)定的算法,把測(cè)量范圍分為多段,每段通過(guò)不同標(biāo)定段的標(biāo)定版標(biāo)定參數(shù),確保測(cè)量的一致性與準(zhǔn)確性。

      4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

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

      由以上圖像可以得出,隨著能見(jiàn)度逐步升高,接收管接收到的紅外信號(hào)逐漸降低,且在一個(gè)脈沖周期內(nèi)變化穩(wěn)定,能夠反映出能見(jiàn)度的變化趨勢(shì)。樣機(jī)與Vaisala公司的PWD22能見(jiàn)度進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。低能見(jiàn)度情況下反應(yīng)迅速,數(shù)據(jù)穩(wěn)定。因?yàn)閳F(tuán)霧往往是突然出現(xiàn)的,為了測(cè)定能見(jiàn)度儀的靈敏度,用人造煙霧的方法經(jīng)過(guò)測(cè)試,能見(jiàn)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(guò)對(duì)比試驗(yàn),得出此種方法檢測(cè)的低能見(jiàn)度數(shù)值反應(yīng)迅速,數(shù)據(jù)可靠,能夠及時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)能見(jiàn)度的變化趨勢(shì),為高速公路及時(shí)提供預(yù)警信息。

      參考文獻(xiàn):

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

      [2]冶林茂,王道遠(yuǎn),王艷斌,等.雙通道能見(jiàn)度自動(dòng)測(cè)量?jī)x研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2012,35(2):83-86.

      [3]李夢(mèng)麟,段發(fā)階,歐陽(yáng)濤,等.前向散射式能見(jiàn)度測(cè)量技術(shù)研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(7):1281-1285.

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