刘育丰, 李 民, 刘乃友

(1. 中海油能源发展股份有限公司北京分公司, 北京100027; 2. 山东省海洋环境监测技术重点实验室, 山东省科学院海洋仪器仪表研究所, 山东 青岛 266001)

大气能见度(Visibility)是反映大气透明度的一个指标, 它是一个对军事活动以及航空、航海、陆上交通等都有重要影响的气象要素[1]。经过国内外科研人员多年的研究, 现在已经开发出了多种能见度测量仪, 如透射式、散射式、激光雷达式等[2-3]。其中, 基于散射原理的能见度仪以其体积小、价格低、便于安装等优点而广泛应用于气象、海洋、航空、交通等领域[4]。其技术已渐趋成熟, 国内外已有产品, 如芬兰维萨拉公司、美国Enviro Tech公司及我国长春气象仪器厂、洛阳卓航等研制的产品。由于能见度信号非常微弱, 传统的检测技术一般采用分离元件进行微弱信号的检测, 易受噪声干扰, 随着集成电路技术的发展, 先进集成器件在抑制噪声、便捷应用方面越来越成熟, 因此, 本文提出一种基于先进集成器件OPT101的能见度检测系统。

1 系统设计

1.1 总体设计

本系统是基于前向散射原理设计的, 通过测量一定采样体积的前向散射方向的大气散射光强, 来进行大气能见度的测量。如图1所示, 系统主要由发射模块、接收模块、锁相放大模块、信号采集处理模块、电源模块及支撑机械机构等部分组成。

红外发光二极管LED经电路调制后, 发出一定调制频率的光, 经透镜以一定发散角出射, 照射到采样大气上, 经大气散射后, 散射光经接收模块的透镜汇聚到接收器件上, 光强信号转换为相应的电信号, 经放大、滤波后输入到锁相放大模块, 同时, 发射模块的调制信号经移相后, 也输入到锁相放大模块, 经锁相放大后, 输出散射光强的电压信号, 再经过信号采集与数据处理, 输出相应的能见度值到上位机, 完成能见度的检测。接收模块透镜前端设置窄带干涉滤光镜, 仅允许发射光源波长附近的光通过, 有效减少外界杂光的干扰。

前向散射仪散射角的确定主要取决于各个方向的散射光强弱, 理论证明, 散射角一般取在20°～50°之间为宜, 本文取为33°。发射器与接收器之间的距离选为1.2～1.5 m, 红外发光管波长选为880 nm。

1.2 基于集成器件的光电接收设计

由于大气散射信号非常微弱, 光电接收部分是系统的关键, 其主要功能是对微弱信号进行放大、滤波处理, 其结构框图如图2。

前向散射式能见度仪所使用的光电接收器件的选择除符合一般选择光电接收器件所应满足的条件之外, 还应在可靠性、工艺特性等方面有良好的性能, 另外散射式能见度系统检测的信号非常微弱, 对其前置放大电路的要求非常高。本文采用集成前置放大电路的 PIN 光电二极管, 型号为BB公司的OPT101[5], 输出信号为电压信号, 输出电压随光敏器件上的光强度成线性变化。由于光敏器件和前置放大电路集成一起, 有效降低了分离器件的噪声影响。在 880 nm 附近, 峰值同 LED 的光谱功率分布有很好的匹配, 另外它具有响应度高, 响应速度快的特点, 作为一种半导体器件当然也具有高可靠性, 长寿命以及易于同其他电子元件耦合的优点。

图1 大气能见度检测原理示意图 Fig. 1 Diagram of visibility measurement system

图2 接收模块电路框图 Fig. 2 Diagram of receiving model

其接收电路如图3, OPT101输出包含背景光的影响, 采用电容隔直作用, 首先把直流分量滤除。光电接收器件输出信号微弱, 为防止一级放大倍数过大造成信号干扰, 采用初级和次级两级放大方式, 放大器件采用AD620仪表放大器, 如图4。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器, 仅需要一个外部电阻来设置增益, 并且增益范围为1至10 000。AD620具有高精度(最大非线性度40×10－6)、低失调电压(最大50 μV)、低失调漂移(最大0.6 μV/℃)、以及低噪声、低输入偏执电流和低功耗等诸多特性, 使之非常适合微弱信号的精密数据采集系统。初级放大倍数设置为50。

初级放大的信号经过带通滤波后, 再经过次级放大后, 输入到锁相放大电路。次级放大倍数设置为100。带通滤波电路采用二阶压控带通滤波电路。

图3 光电接收电路 Fig. 3 Receiving circuit

图4 信号放大处理电路 Fig. 4 Amplifying circuit

2 实验

由上述设计, 研制了能见度检测系统样机, 并进行了一系列试验, 验证其性能。

2.1 重复性实验

对研制的样机, 在实验室光照、温湿度等环境不变的情况下, 进行了近30 min的重复性实验, 采样间隔10 s。实验曲线如图5, 结果表明能见度检测的重复性2σ优于9 m, 且多次测量的稳定性较好。

2.2 样机标定

由前述理论可知, 当系统光学、电学等参数固定后, 消光系数和散射光强经放大后的电压值基本呈正比例关系, 系统的标定曲线可近似为y=kx+b, 知道两点即可求出k和b。通过实验, 确定较高能见度和较低能见度时电压(mV)和消光系数(km-1)对应的两点(1,0.1863), (2400,100), 可求出标定曲线, 最后确定标定曲线参数为:k=0.041606,b=0.14469。

2.3 现场比测实验

在楼顶空旷处, 将样机与美国Enviro Tech能见度传感器进行了大量比测实验, 结果表明, 在50～ 16 000 m量程范围内, 样机与美国能见度变化趋势一致性较好, 在5 000 m以内低能见度情况下, 比测误差基本在±20%内, 数据比较稳定, 大于5 000 m的高能见度情况下, 大部分比测误差也基本在±20%内, 但数据不太稳定, 奇异误差较多。如图6为近15 h的比测实验, 星号曲线为美国Enviro Tech能见度测量值, 另一条曲线为自己研制样机的测量值, 可见, 一致性很好。比测误差曲线如图7, 相对误差基本在0～40%范围内, 而且基本都是正值, 说明有一个系统误差存在, 可能是标定不准确的原因。

图5 实验室环境能见度重复性实验 Fig. 5 Repeatability measurement in laboratory

3 结论

采用先进的集成前置放大的光电检测传感器, 实现微弱光电信号的检测和前置放大, 克服了传统分离器件前置放大易受噪声干扰的不足, 提高了数据的准确度和仪器的稳定性。实验表明该系统设计是有效的。

图6 能见度比测曲线 Fig. 6 Visibility Measurement Curve

图7 能见度比测误差曲线 Fig. 7 Visibility Measurement Error Curve

[1] 曾书儿, 王改利. 能见度的观测及其仪器[J].应用气象学报, 1999, 10(2): 207-212.

[2] 肖韶荣, 高志山, 廖延彪. 基于直角棱镜的气体传感器在能见度测量中的应用[J]. 中国激光, 2006, 33(1): 81-84.

[3] 施德恒, 刘新建, 黄国庆, 等. 一种透射式跑道能见度激光测量仪研究[J]. 激光技术, 2003, 27(25): 419-422.

[4] 韩永, 谢晨波, 饶瑞中, 等. 基于光散射技术的两种能见度探测方法的比较分析[J]. 红外与激光工程, 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.