一种基于扫描方式的透射仪测量光路自动准直系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种透射仪光学对准方法，尤其是基于扫描方式的透射仪测量光路自 动准直系统与方法。
【背景技术】
[0002] 能见度是气象观测的重要要素之一，用于了解大气稳定性，判定气团性质。能见度 根据目标物之间的亮度对比或目标物能否被看见，用一个距离上的概念描述大气的可见 度，它的准确监测对于气象、交通、民航和农业生产都有着重要的指导意义。目前世界上普 遍使用的能见度仪有透射式能见度仪，散射式能见度仪和激光雷达能见度仪。透射式能见 度仪又称透射计或透射表，分为双端式和单端式，通过测量大气透过率来获取能见度值。双 端式透射仪在工作时，用光发射器照射被测样本，接收器测量衰减后的光辐射，通过大气样 本透过率来计算能见度值。透射式能见度仪的优点在于不用对大气作任何假设以探测大气 透过率或消光系数，其采样体积大，测量精度高。由于透射仪测量精度高，已广泛应用于机 场跑道能见度测量，但我国目前还没有完全自主知识产权的透射仪和相关的标定设备，使 用的大多是芬兰Visala公司的产品。虽然透射仪精度高，但也有其局限性，当大气能见度较 大时，其探测结果对光源的标定误差、透射光的探测误差和镜头的污染非常敏感，并且需要 较长的基线，占地面积大。因此，在双端式透射仪进行安装时，都要进行人工初步对准，主要 通过在能见度测量过程中补偿由于测量光路准直偏差造成的能见度测量误差。在仪器进行 能见度测量之前，通过不断寻找使得接收端能量最大的位置作为测量光路的准直位置。该 过程较为复杂，时间较长。然而在没有配套的标定设备情况下，只能依赖间隔一段时间后再 次进行人工对准，其结果是导致在下次未人工对准时，由于外界环境变化以及仪器振动等 引起的光路收发不一致进而导致探测精度下降。
【发明内容】
[0003] 针对上述技术问题，本发明的目的是，改进透射仪测量光路准直方法，提供一种准 直过程自动化、准直精度高、准直时间短、易于在透射仪测量系统中应用的透射仪测量光路 准直系统与方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于扫描方式的透射仪测 量光路自动准直系统，其特征在于，包括发射单元、光源控制单元、电机驱动一单元、电机驱 动二单元、位置信息采集一单元、位置信息采集二单元、中央处理器一单元、接收单元、光强 信息采集单元、电机驱动三单元、电机驱动四单元、位置信息采集三单元、位置信息采集四 单元、中央处理器二单元和控制中央处理器一、二单元的主控单元；所述的发射单元包括 LED光源和发射光学模块，为透射仪进行能见度测量和测量光路准直提供探测光束;所述的 光源控制单元用来驱动发射单元中的LED光源，保证光源发光稳定性;所述的电机驱动一单 元用来驱动发射单元进行水平方向的位置调整;所述的电机驱动二单元用来驱动发射单元 进行垂直方向的位置调整;所述的位置信息采集一单元用来采集发射单元进行水平位置调 整时的位置信息;所述的位置信息采集二单元用来采集发射单元进行垂直位置调整时的位 置信息;所述的接收单元包括光电传感器模块和接收光学模块，用来将探测光束中经过一 定基线长度大气传输后能被接收单元接收的部分光束进行光电转换;所述光强信息采集单 元用来采集接收单元接收到的光强信息;所述的电机驱动三单元用来驱动接收单元进行水 平方向的位置调整;所述的电机驱动四单元用来驱动接收单元进行垂直方向的位置调整； 所述的位置信息采集三单元用来采集接收单元水平位置调整过程中的位置信息;所述的位 置信息采集四单元用来采集接收单元垂直方向位置调整过程中位置信息;所述的中央处理 器一单元用来存储发射单元位置信息，中央处理器一单元同时向中央处理器二单元发送采 集光强信息命令、中央处理器二单元存储采集到的光强信息并传送，中央处理器一单元再 根据采集到的光强信息和位置信息计算得到发射单元的准直位置;所述的中央处理器二单 元用来存储接收单元位置信息和光强信息，并根据位置信息和光强信息计算接收单元的准 直位置;所述的主控单元用来发送测量光路准直操作命令并控制中央处理器一、二单元并 控制电机驱动一、二、三、四单元；，控制系统工作；
[0005] 进一步，基于扫描方式的透射仪测量光路自动准直的方法，利用发射单元和接收 单元于两个相互垂直方向分别扫描得到的位置信息与光强信息计算得到发射单元和接收 单元的准直位置，然后使得发射单元与接收单元分别定位到准直位置，从而实现测量光路 的准直;其特征在于，按照顺序分别对发射单元与接收单元进行对准:每次进行准直时分别 进行垂直方向和水平方向的扫描、准直位置计算和定位;所述的扫描是通过驱动电机使得 发射单元或接收单元在垂直或水平方向上进行一定角度范围的位置旋转，同时记录位置信 息和扫描过程中的光强信息;所述的准直位置计算是根据扫描过程中采集的位置信息与光 强信息的关系得到发射单元或接收单元在某一方向上的准直位置;所述的定位是通过驱动 电机使得发射单元或接收单元在某一方向上进行旋转运动到该方向上的准直位置;一般指 接收单元光强信息最强的位置信息。
[0006] 具体步骤如下：
[0007] 步骤001.主控单元启动透射仪测量光路自动对准程序；
[0008] 步骤002.主控单元发出指令，使中央处理器一单元与中央处理器二单元完成对准 程序的初始化；
[0009] 步骤003.光源控制单元驱动发射单元中的LED光源向接收单元发出探测光束；
[0010] 步骤004.光强信息采集单元采集接收光强信息，将接收光强信息存储到中央处理 器二单元，并由中央处理器二单元对接收光强信息进行判断；
[0011] 步骤005.若步骤004采集到的接收光强为0，则向主控单元发出重新进行人工粗调 的提不；
[0012] 步骤006.若步骤004采集到的接收光强不为0，则接收单元进行自动对准，具体包 括下面步骤：
[0013] 步骤0061.接收单元进行水平方向扫描，具体包括下面步骤：
[0014]步骤00611.电机驱动三单元驱动电机反向运转，位置信息采集三单元开始采集接 收单元水平位置信息，并将位置信息存储到中央处理器二单元，中央处理器二单元对存储 的接收单元水平位置信息进行判断；
[0015]步骤00612.以电机的起始运转位置为0度，若步骤00611采集到的位置信息不为- 0.2度，回到步骤00611;
[0016]步骤00613.若步骤00611采集到的位置信息值为-0.2度，电机驱动三单元驱动电 机刹车，位置信息采集三单元停止位置信息采集；
[0017] 步骤00614.电机驱动三单元驱动电机正转，位置信息采集三单元开始采集接收单 元水平位置信息，同时光强信息采集单元开始采集接收光强信息，并将位置信息和光强信 息存储到中央处理器二单元，中央处理器二单元对存储的接收单元水平位置信息进行判 断；
[0018] 步骤00615.若步骤00614采集到的位置信息值不为0.2度，回到步骤00614;
[0019]步骤00616.若步骤00614采集到的位置信息值为0.2度，电机驱动三单元驱动电机 刹车，位置信息采集三单元停止位置信息采集，光强信息采集单元停止光强信息采集；
[0020] 步骤0062.接收单元进行水平方向准直位置计算，计算过程如图3所示，具体包括 下面步骤：
[0021] 步骤00621.根据存储在中央处理器二单元中的位置信息与光强信息，由中央处理 器二单元寻找接收光强的最大值W，并筛选出接收光强介于0.6W与0.4W之间的光强信息和 与之对应的位置信息；
[0022] 步骤00622.根据步骤00621筛选的位置信息与光强信息，由中央处理器二单元通 过最小二乘法拟合出两条接收光强随位置变化的关系直线L1、L2;
[0023]步骤00623.将接收光强值0.5W分别作为步骤00622得到的两条拟合直线的接收光 强值，有中央处理器二单元计算出相应的位置XI、X2;
[0024] 步骤00624.根据步骤00623得到的两个位置X1、X2由中央处理器二单元计算得到 接收单元水平方向准直位置，计算公式为：
[0025]
[0026]步骤0063.接收单元进行水平方向定位，具体包括下面步骤：
[0027]步骤00631.电机驱动三单元驱动电机反转，位置信息采集三单元开始采集接收单 元水平位置信息，并将位置信息存储到中央处理器二单元，中央处理器二单元对位置信息 进行判断；
[0028] 步骤00632.若位置信息的值大于步骤00624得到的准直位置X，回到步骤00631;
[0029]步骤00633.若位置信息的值小于或等于步骤00624得到的准直位置X，电机驱动三 单元驱动电机刹车，位置信息采集三单元停止位置信息采集；
[0030]步骤0064.接收单元进行垂直方向扫描，具体步骤如下：
[0031]步骤00641.电机驱动四单元驱动电机反向运转，位置信息采集四单元开始采集接 收单元水平位置信息，并将位置信息和光强信息存储到中央处理器二单元，中央处理器二 单元对存储的接收单元水平位置信息进行判断；
[0032]步骤00642.以电机的起始运转位置为0度，若步骤00641采集到的位置信息不为-0.2度，回到步骤00641;
[0033]步骤00643.若步骤00641采集到的位置信息值为-0.2度，电机驱动四单元驱动电 机刹车，位置信息采集四单元停止位置信息采集；
[0034]步骤00644.电机驱动四单元驱动电机正转，位置信息采集四单元开始采集接收单 元水平位置信息，同时光强信息采集单元开始采集接收光强信息，并将位置信息存储到中 央处理器二单元，中央处理器二单元对存储的接收单元水平位置信息进行判断；
[0035] 步骤00645.若步骤00644采集到的位置信息值不为0.