透射式能见度仪动态范围扩展方法

肖韶荣，吴群勇，周 佳，徐 猛，尚国庆

(1.南京信息工程大学 物理与光电工程学院，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044)

引言

能见度是重要的气象要素之一，它的测量可应用于气象、航空、航海、道路交通等部门，在激光通信、图像传输中也产生重要影响。能见度的测量主要有散射法、透射法、目测法等，透射法是严格定义下的能见度测量方法[1]。能见度测量的核心问题是对大气消光系数的测量，大气气溶胶粒子是大气消光的最主要因素，消光系数等于吸收系数与散射系数之和[2-3]。对于透射式能见度仪，发射器发射光强及基线固定时，可通过计算接收器检测的接收光强与发射光强的比值求得消光系数，根据消光系数反演大气能见度值。散射法中选择大气吸收区以外的光波长，以某一方向的散射系数代表光束传输过程中的总散射系数，并将该散射系数视为大气消光系数。另一方面，散射法的取样区域较小，取样代表性较差。因此，散射法的准确度不如透射法。

系统动态范围指能正常检测时接收机输入端的信号变化范围。动态范围下限受接收机灵敏度限制，在未采用信号处理条件下，该下限受接收机输入端等效噪声电平的限制；其上限则受放大器过载饱和或波形非线性失真规定值的限制[4]。只有在接收系统动态范围之内测得的光强值，计算出的能见度才准确，可见能见度仪的动态范围对其测量很重要，因此扩展仪器的动态范围是有一定实际意义的。文献[5]中提到能见度仪接收器的饱和溢出问题，并提出采用自动增益控制(AGC)技术[6]来扩展接收器的动态范围。但是，反馈电阻的电子噪声对系统的测量产生较大影响，且自动增益控制技术不能改善光电探测器非线性响应或饱和问题。本文提出利用光学衰减片与电机组合来扩展系统动态范围，降低了反馈电阻噪声对系统的影响，解决了因探测器饱和引起的系统输出问题，提高了系统的检测性能。

1 能见度测量原理

能见度在气象上的定义是：标准视力的眼睛观察水平方向以天空为背景的黑体目标物时，能从背景上分辨出目标物轮廓的最大水平距离。世界气象组织用气象光学视程对能见度定义为“白炽灯在色温2 700 K时发出的平行光束，光通量在大气中衰减至初始值的5%时所经过的路径长度”[8]。

世界气象组织规定，对于气象能见度，视觉阈值ε=0.02，根据Koschmieder定律，能见度R表示为[9]

(1)

式中，σ为大气水平消光系数。

对于气象光学视程，ε=0.05，能见度R表示为

(2)

透射式能见度仪的光学原理图如图1所示。

图1 透射式能见度仪光学原理图Fig.1 Optical schematic diagram of transmittance meter

由Bouguer-Lambert定律，大气消光系数σ为

(3)

式中:L为基线长度，即发射器到接收器之间的距离;I为经传输距离L衰减后的接收光强;I0为发射器发射光强。根据Koschmieder定律可求得气象能见度R的计算公式：

(4)

2 系统动态范围扩展方法

对于透射式能见度仪，在确定能见度测量范围下限时，为提高接收系统对微弱光信号的检测，通常需要设置较高的系统灵敏度[10]。然而在大气透明度高、透射光较强环境中，高灵敏度容易使系统饱和，限制了系统动态范围，限制了能见度测量范围的上限。同样，在确定能见度测量范围上限时，为防止较强的光信号使系统饱和，通常设置较低的系统灵敏度，但在大气透明度低、透射光微弱时，较低的灵敏度会降低系统对微弱光信号的检测能力，限制了能见度测量范围的下限。

目前主要采用自动增益控制技术来扩展系统的动态范围，采用多路开关选择不同阻值的反馈电阻，通过电路反馈来实现系统增益的自动调节，当接收光信号微弱时，提高系统增益；接收光信号较强时，降低系统增益。然而，自动增益控制技术的电子噪声对系统测量产生较大影响，同时较强光信号会使探测器饱和，甚至会使其损坏[11]。而利用电机与光学衰减片的组合，通过降低接收光强度，一定程度上保护了光电探测器，也保证了系统测量的准确性。

2.1 实验装置

图2是接收系统动态范围扩展框图。测量中，发射模块采用经1 KHz方波调制的LED光源，接收模块采用PIN13DSB光电探测器的零偏置模式，经过光电转换电路将光电流信号转换为电压信号；再经中心频率为1 KHz的带通滤波电路提取可用的正弦信号；正弦信号通过有效值转换电路输出直流信号；经过后置放大、滤波电路对信号进行放大，使接收光信号转换为具有线性关系的电压信号；再经A/D转换，由单片机微处理器处理后显示测量数据；测量中，通过对单片机编程，设置接收光信号的阈值，当接收光信号达到阈值时，单片机程序驱动电机旋转，切换衰减片状态。测量中采用中性密度衰减片，设衰减片的透过率为α，系统的饱和阈值光强为ITH，且经衰减片衰减后的光强值IN=αITH，加入衰减片后的系统能接收的最大光强为IM=ITH/α。

图2 测量系统原理框图Fig.2 Block diagram of measurement system

系统可实现的功能：a)光强超过ITH时，电机顺时针旋转，衰减片置于光路中，扩展系统的动态范围；b)光强值低于IN时，电机逆时针旋转，衰减片处于光路外，完成系统对弱光信号的检测；c)衰减片状态稳定时，系统掉电后再次启动，能自动判断衰减片的状态。

2.2 信号处理

如图2所示，若发射光信号是脉宽为τ，周期为T，幅度为I0的光脉冲信号，由光学和信号理论分析可知，发射光信号表示为

(5)

其中:u(t)为单位阶跃信号;n为脉冲序数。经基线为L、透过率为α的衰减片后，光电探测器接收的光信号为

(6)

光电转换后的电信号为

U(t)=-Rfi(t)=-ρRfI(t)

(7)

式中:i(t)为光电探测器输出的电流信号;Rf为转移电阻;ρ为光电探测器的响应率。通过带通滤波器后的输出为[12]

e-σ Lej[ω0t-ΦA(ω0)]

(8)

式中:ω0=2πf0为带通滤波器的中心频率;A(ω0)为滤波器的增益;ΦA(ω0)为滤波器引入的相移。滤波器输出的1 kHz正弦波信号通过有效值转换后输出的直流电压信号表示为

(9)

经有效值转换电路输出的直流电压信号幅度较小，不利于AD的采样，因此需要进行后置放大、无源滤波处理，信号处理后的输出可表示为

(10)

式中，k为放大滤波处理后的比例系数。令α=1，L=0，由(10)式可求得发射光强对应输出的电信号：

(11)

由(10)、(11)式，将大气消光系数表达为

(12)

式中K为仪器定标常数。(12)式表明大气消光系数可由发射光、透射光的电压信号和衰减片的透过率确定。

3 测量结果与讨论

测量中通过改变加载到LED光源的调制信号的幅度控制LED光源的发射光强。设置系统饱和光强阈值为ITH，采用透过率α=60%中性密度衰减片，根据理论计算IM=ITH/α=1.67ITH；若α=12%，则IM=8.33ITH。程序中通过控制电机的顺时针、逆时针旋转来降低电机的旋转角度误差。

3.1 两种方式实现电路增益调节的比较

图3是未加衰减片电路的输出波形，频率为1 kHz，峰峰值为496 mV的脉冲信号。以图3作为参照，图4是加入衰减片(α=60%)后的电路输出波形；图5是未加衰减片，通过减小反馈电阻来降低电路增益的电路输出波形；图6是为未加衰减片，通过增大反馈电阻来提高电路增益的输出波形。

图3 未加衰减片电路输出波形Fig.3 Circuit output waveform without attenuator

图4 加衰减片电路的输出波形Fig.4 Circuit output waveform with attenuator

图5 减小反馈电阻电路的输出波形Fig.5 Circuit output waveform by decreasing feedback resistance

图6 增大反馈电阻电路的输出波形Fig.6 Circuit output waveform by increasing feedback resistance

从图3、图4可知，信号的波形在衰减前后只在幅度上降低，波形未发生变化；从图3、图5、图6可知，信号的波形在幅度变化的同时，也叠加了较多毛刺。可见，通过衰减片来调节电路的增益不会引入电子噪声，而通过调节反馈电阻来调节电路增益，则容易引入较多的电子噪声。

3.2 衰减片透过率对系统动态范围扩展的影响

图7是未加衰减片时系统的测量结果图，图8是加入衰减率为α=60%的中性密度衰减片后系统的测量结果图；图9、图10为α=12%时未加衰减片和加衰减片的测量结果图。需说明的是，图7、图8是在系统同一灵敏度下的测试结果，图9、图10为系统在另一相同灵敏度下的测试结果。

图7 未加衰减片测量结果图Fig.7 Measurement map without attenuator

图8 加衰减片测量结果图Fig.8 Measurement map with attenuator

图9 未加衰减片测量结果图Fig.9 Measurement map without attenuator

图10 加衰减片测量结果图Fig.10 Measurement map with attenuator

基于最小二乘法，分别对图7、图8、图9、图10中的实验数据在线性区作直线拟合，结果如表1所示。

表1 系统数据处理表Table 1 Form of system data processing

分析表1可知：α=60%时，加衰减片后，系统动态范围扩展了0.6倍；α=12%，加衰减片使系统动态范围扩展了6.9倍。衰减片的衰减率与系统动态范围成正比例关系，衰减率越大，系统动态范围扩展越大。因此，可通过选择不同衰减率的中性密度衰减片，实现系统动态范围的灵活扩展。

3.3 衰减片透过率的测试精度对系统测量结果的影响

分析(10)式，等式两边作微分：

(13)

(13)式除以(10)式，得

(14)

从(14)式可知，衰减片透过率α取值固定时，衰减片越稳定，系统测量结果的不确定度就越小；衰减片透过率α的误差范围确定时，衰减片透过率越高，系统测量结果的不确定度就越小。

4 结论

通过光学衰减片与电机组合，能够有效扩展系统线性动态范围。特别值得注意的是利用光学衰减片来实现电路动态范围的扩展不会引入电子噪声，且在一定程度上克服了光电探测器的非线性响应或饱和对测量的影响。实验结果表明，该方法简单可靠。同时，可选择不同衰减率的中性密度衰减片，实现系统线性动态范围的灵活扩展。

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