专利名称：利用光数字接收机误码率测量大气能见度的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光数字接收机误码率测量大气能见度的方法及其装置，属于大气能见度测量技术领域。
背景技术：
大气中，由于空气分子与水汽、灰尘等微粒的作用，光路对在其中传播的光束具有散射和吸收效应，这种散射和吸收效应的强弱反映了大气的透明或浑浊程度，通常用大气能见度来表征。由于大气的散射和吸收效应，当光束到达光接收机时，光强会发生衰减，导致接收信号的信噪比减小，从而影响接收机的误码率。因此接收机的误码率能够反映出光强的衰减情况，从而间接反映出大气能见度。传统的透射式能见度仪的结构如图1所示，通过直接测量收发光强之比，得到光束在大气信道中的透过率，然后由透过率计算大气的能见度。已有透射式能见度仪的缺点是1、测量灵敏度不够高；2、由于直接测量光强，导致较大的误差；3、易受外界干扰，突发误差较大，测量稳定性不好。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用光数字接收机误码率测量大气能见度的方法及其装置，将接收机改为数字接收机，测量光束在大气信道传输过程中产生的误码率，再通过计算得到能见度值，以提高能见度测量的测量精度和重复性。
本发明提出的利用光数字接收机误码率测量大气能见度的方法，包括以下步骤1、在一段大气信道中根据随机算法发送一组随机光数字信号序列；2、接收上述随机光数字信号序列，对信号进行光电转换后放大、滤波、整形和判决处理，得到一组数字信号序列；3、用上述随机算法产生与上述数字信号序列相对应的一组随机数字信号序列，将其与上述接收并处理后的数字信号序列一一对比，设两者不同时为误码，将所有误码相加得到误码总数，将误码总数与发送随机数字信号的总码数相比，得到收发过程的误码率Pb，则大气能见度U=-3.912Bln[Q-1(Pb)/M],]]>上式中，M为系统标定参数，由标定实验获得，B为收、发信号点之间的距离，Q为积分函数。
上述方法中，由标定实验获得M的方法为设大气的已知能见度为U0，该已知能见度时的误码率为Pb0，则已知能见度时的系统标定参数，M0=Q-1(Pb0)exp(-3.912B/U),]]>将M0作为待测系统的系统标定参数。
本发明提出的利用光数字接收机误码率测量大气能见度的装置，由发送机和接收机组成；其中的发送机包括随机信号发生电路、光源驱动电路、光源以及准直光路，随机信号发生电路产生一串一定长度的随机数字信号序列，通过光源驱动电路驱动光源发射出随机光数字信号，光信号经过准直器发射；其中的接收机包括会聚光路、光电转换器、放大电路、时钟提取和判决电路、误码测试电路和显示电路；会聚光路接收光信号，光电转换器将光信号转换成电信号，放大电路对电信号进行放大和滤波后对信号中的噪声进行抑制，然后由时钟提取和判决电路对信号进行整形和判决处理，得到数字信号；由误码测试电路将接收信号与发射信号进行对比，得到收发过程的误码总数；能见度显示电路根据测量到的误码数得到大气能见度。
上述电路中，误码测试电路为一可编程逻辑器件。
上述电路中，能见度显示电路由控制电路和存贮器组成，存贮器中存贮有与误码数一一对应的大气能见度数据，控制电路根据测量到的误码数对数据进行查找，得到对应的大气能见度。
本发明提出的利用光数字接收机误码率测量大气能见度的方法和装置，其优点是1、由于在低能见度时，微小的能见度变化能够导致误码率的显著变化，因此本发明在测量低能见度时有很高的灵敏度；2、由于采用标定方法，无需直接测量光强，避免了由此引入的误差；3、由于误码率是在一段时间上的综合效应，因此本方法的突发误差小，测量重复性好。
图1是已有技术中用以测量大气能见度的装置示意图。
图2是本发明提出的用于测量能见度装置中发送机的电路框图。
图3是本装置中接收机的电路框图。
图4是本装置中发射机的光源驱动电路图。
图5是本装置中接收机的前置放大器电路图。
图6是本装置中接收机的主放大器电路图。
图7是本装置中接收机的锁相和判决电路图。
图8是本装置中接收机的能见度显示电路图。
图1～图3中，1是随机信号发生电路，2是光源驱动电路，3是白光发光二极管， 4是准直透镜，5是会聚透镜，6是PIN光电探测器，7是前置放大器，8是主放大器，9是高通滤波器，10是低通滤波器，11是时钟提取和判决电路，12是误码测试电路，13是能见度显示电路。
具体实施例方式
本发明提出的利用光数字接收机误码率测量大气能见度的方法，首先在一段大气信道中根据随机算法发送一组随机光数字信号序列；接收上述随机光数字信号序列，对信号进行光电转换后放大、滤波、整形和判决处理，得到一组数字信号序列；用上述随机算法产生与上述数字信号序列相对应的一组随机数字信号序列，将其与上述接收并处理后的数字信号序列一一对比，设两者不同时为误码，将所有误码相加得到误码总数，将误码总数与发送随机数字信号的总码数相比，得到收发过程的误码率Pb，则大气能见度U=-3.912Bln[Q-1(Pb)/M],]]>上式中，M为系统标定参数，由标定实验获得，B为收、发信号点之间的距离，Q为积分函数。由标定实验获得M的方法为设大气的已知能见度为U0，该已知能见度时的误码率为Pb0，则已知能见度时的系统标定参数，M0=Q-1(Pb0)exp(-3.912B/U),]]>将M0作为待测系统的系统标定参数。
本发明提出的利用光数字接收机误码率测量大气能见度的装置，由发送机和接收机组成；其中的发送机的电路框图如图2所示，包括随机信号发生电路1、光源驱动电路2、光源3以及准直光路4，随机信号发生电路1为一可编程逻辑器件，型号为MAX7128，该电路产生一串一定长度的随机数字信号序列，通过光源驱动电路2驱动光源3发射出随机光数字信号，光信号经过准直器4发射。
上述光源驱动电路2的电路图如图4，由运算放大器A1、A2、A3和电阻电容组成，运算放大器A1为光源3提供偏置电压，运算放大器A2为光源3提供驱动信号，运算放大器A3为光源3提供驱动电流，A1、A2的型号为MAX4100，A3的型号为OPA680，光源3为一个白光发光二极管，准直器4为一准直透镜。
其中的接收机的电路框图如图3所示，包括会聚透镜5、光电转换器6、前置放大器7、主放大器8、时钟提取和判决电路11、误码测试电路12和显示电路13；会聚光路接收光信号，光电转换器将光信号转换成电信号，前置放大器和主放大器对电信号进行放大和滤波后对信号中的噪声进行抑制，然后由时钟提取和判决电路对信号进行整形和判决处理，得到数字信号；由误码测试电路将接收信号与发射信号进行对比，得到收发过程的误码总数；能见度显示电路根据测量到的误码数得到大气能见度。
上述电路中，前置放大器如图5，由运算放大器MAX4100与电阻电容组成，前置放大器将光电探测器输出的电信号进行预放大。
上述电路中，主放大器如图6，由运算放大器MAX4100与电阻电容组成，主放大器将前置放大器输出的电信号进一步放大到后续电路能够处理的幅度。
上述电路中，时钟提取和判决电路如图7，由比较器U1，D触发器U2，延时芯片U3、异或门U4和锁相环芯片U5组成。接收信号被光电转换、放大、滤波之后分为两路，一路输入U1，输出数字信号，另一路输入U3延时然后与自身通过U4做异或运算，输出倍频信号，倍频信号输入U5锁相输出同步时钟，U1输出的数字信号与同步时钟一起输入U2，得到同步数字信号。比较器U1的型号为MAX902，D触发器U2的型号74LS175，延时芯片U3MXD1000PA500、异或门U4的型号为74HC86，锁相环芯片U5的型号为NE564。
上述电路中，误码测试电路为一可编程逻辑器件，其型号为MAX7128。
上述电路中，能见度显示电路如图8、由控制电路U6、存贮器U7和显示模块U8组成，存贮器中存贮有与误码数一一对应的大气能见度数据，控制电路根据测量到的误码数对数据进行查找，得到对应的大气能见度。其中控制电路U6为一可编程逻辑器件，型号为MAX7218，存储器U7型号为AT29C040A，显示模块U8由4个共阴极的七段数码管组成。
本方法的具体工作原理如下由Koschmieder定律可知，大气能见度与大气透过率有如下关系T=exp(-3.912BU)----(1)]]>式中，T为大气透过率；B为发射机与接收机之间的距离，即基线；U为大气能见度。
光接收机的噪声可以用高斯分布模型很好地近似，因此接收机误码率Pb与接收信号峰峰值的一半V和接收机噪声η符合Q函数的关系，即有Pb=Q(Vη)----(2)]]>设发射随机信号为单极性非归零OOK码，在光轴方向对应于信码“1”和“0”的瞬时发光强度分别为I0和I1，则经过大气传输到达接收机后对应的接收光功率为Pi=Ii*AB2*T,i=0,1----(3)]]>式中，A为接收机接收面积。(2)式中，V正比于接收机处信号“1”、“0”的光功率之差ΔP，因此可设V＝K*ΔP＝K*(P1-P0) (K为常数)(4)于是，由(1)、(2)、(3)、(4)式，可得Pb=Q{[K(I1-I0)AB2η]*exp(-3.912BU)}----(5)]]>令M=K(I1-I0)AB2η,]]>则有Pb=Q[M*exp(-3.912BU)]----(6)]]>在发射机、接收机以及它们之间的距离确定的情况下，(6)式右边除U以外的各项均为常数，由此确定了Pb与大气能见度值U的关系。
M是由发射机、接收机及其相互位置(包括对准角度和距离)关系确定的常数。M的具体值可由标定实验获得。
假设在标定实验中测得U＝U0时，Pb＝Pb0，则由(6)式可以求得M的值，设为M0，则有M0=Q-1(Pb0)exp(-3.912B/U)----(7)]]>再将M0代入(6)式，得到U=-3.912Bln[Q-1(Pb)/M0]----(8)]]>
由(8)式可知，在不同大气能见度值U下测得接收机的误码率Pb值，即可以得到大气能见度U值。这就是通过光接收机的误码率测量大气能见度的原理。
误码率法的测量灵敏度随着能见度的降低而提高，在低能见度情况下具有极高的灵敏度，例如在标定状态为U＝10km对应Pb＝10-6，B＝100m，δPb＝10-7时，在能见度为5km，3km和1km时的测量灵敏度分别为115.8m，16.1m和0.05m。
由于误码率是在一段时间上的平均效应，因此与传统的投射式能见度测量仪相比本方法具有突发误差小，测量重复性高的优点。
本发明设计的利用光数字接收机误码率测量大气能见度的方法和装置，适用于双端透射式能见度仪或单端透射式能见度仪，同时也适用于其它任何结构形式的能见度仪。
权利要求
1.一种利用光数字接收机误码率测量大气能见度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)在一段大气信道中根据随机算法发送一组随机光数字信号序列；(2)接收上述随机光数字信号序列，对信号进行光电转换后放大、滤波、整形和判决处理，得到一组数字信号序列；(3)用上述随机算法产生与上述数字信号序列相对应的随机数字信号序列，将其与上述接收并处理后的数字信号序列一一对比，将两者不同时定义为误码，将所有误码相加得到误码总数，将误码总数与发送随机数字信号的总码数相比，得到收发过程的误码率Pb，则大气能见度U=-3.912Bln[Q-1(Pb)/M],]]>上式中，M为系统标定参数，由标定实验获得，B为收、发信号点之间的距离，Q为积分函数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于其中由标定实验获得M的方法为设大气的已知能见度为U0，该已知能见度时的误码率为Pb0，则已知能见度时的系统标定参数，M0=Q-1(Pb0)exp(-3.912B/U),]]>将M0作为待测系统的系统标定参数。
3.一种利用光数字接收机误码率测量大气能见度的装置，其特征在于该装置由发送机和接收机组成；其中的发送机包括随机信号发生电路、光源驱动电路、光源以及准直光路，随机信号发生电路产生一串一定长度的随机数字信号序列，通过光源驱动电路驱动光源发射出随机光数字信号，光信号经过准直器发射；其中的接收机包括会聚光路、光电转换器、放大电路、时钟提取和判决电路、误码测试电路和显示电路；会聚光路接收光信号，光电转换器将光信号转换成电信号，放大电路对电信号进行放大和滤波后对信号中的噪声进行抑制，然后由时钟提取和判决电路对信号进行整形和判决处理，得到数字信号；由误码测试电路将接收信号与发射信号进行对比，得到收发过程的误码总数；能见度显示电路根据测量到的误码数得到大气能见度。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于所述的误码测试电路为一可编程逻辑器件。
5.如权利要求3所述的电路，其特征在于所述的能见度显示电路由控制电路和存贮器组成，存贮器中存贮有与误码数一一对应的大气能见度数据，控制电路根据测量到的误码数对数据进行查找，得到对应的大气能见度。
全文摘要
本发明涉及一种利用光数字接收机误码率测量大气能见度的方法，属于大气能见度测量技术领域。该方法首先在大气信道中根据随机算法发送随机光数字信号序列；接收随机光数字信号序列，对信号进行光电转换后放大、滤波等处理，得到数字信号序列；用随机算法产生与上述数字信号序列相对应的一组随机数字信号序列，将其与上述接收并处理后的数字信号序列一一对比，设两者不同时为误码，将所有误码相加得到误码总数与误码率P
文档编号G01N21/94GK1460848SQ03137710
公开日2003年12月10日 申请日期2003年6月20日 优先权日2003年6月20日
发明者巩马理, 张海涛, 姜丰, 阎平, 金伟, 张凯, 杨欣 申请人:清华大学