一种大气湍流强度和能见度测量装置的制作方法

本发明涉及大气环境检测领域，具体地涉及一种大气湍流强度和能见度测量装置。

背景技术：

大气透明度和大气湍流是大气科学中两个基本研究对象，是空气质量预报、气候环境模式和边界层研究中重要的气象因子。对于大气透明度来说，直观的反映是大气能见度，它既是交通运输领域中关系到安全保障的气象要素，也是环境监测领域里体现大气污染程度的重要特征量；同样地，大气湍流引起的折射率起伏会破坏光的相干性，造成光学图像模糊，是天文观测中的难题。一方面大气湍流带动气溶胶粒子运动，另一方面气溶胶粒子也拖曳湍流气团的运动，它们之间的伴随与跟随、迟滞与、拖曳与被拖曳之间阻碍的关系使得我们在探测大气能见度(消光系数)和大气湍流特征时，应该同时考虑它们之间的相互作用，这也是研究、监测和预报污染物扩散分布中的重要环节，因此，整体气团消光是需要考虑的因素，而现在已有的测量仪器却忽略了这一点。

技术实现要素：

发明目的:未解决现有技术中的缺陷，本发明提出了一种大气湍流强度和能见度测量装置，可以同步获取大气能见度和大气湍流强度。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明的大气湍流强度和能见度测量装置包括光学发射单元、光学接收单元、仪器控制和数据接收单元，其中：

所述光学发射单元包括半导体激光发射器、斩波器、准直透镜组、控制电源、光源驱动电路和自动光功率控制电路，其中，所述控制电源、光源驱动电路和自动光功率控制电路依次连接，来自半导体激光发射器的激光经光源驱动电路和自动光功率控制电路发出激光光束，激光光束经斩波器进行光频调制，用于测量大气中湍流的扰动；所述光接收单元包括短焦距激光接收组件、摄像系统、风速风向测量系统、温度传感器、压力传感器、湿度传感器和温控模块组成；

所述仪器控制和数据接收单元包括依次连接的数据预处理单元、A/D转换单元、图像采集单元、图像处理单元和显示单元，经光学发射单元处理后的激光管束经过短焦距激光接收组件之后被摄像系统接收，并依次经过数据预处理单元、A/D转换单元、图像采集单元、图像处理单元进行处理，最终在显示模块显示结果。

所述控制电源分别与温度传感器、湿度传感器、压力传感器、摄像系统和风力风向测量系统相连接

具体地，所述半导体激光发射器发射的激光波长为600-900nm，功率15-45w，带宽1-5nm，优选地，激光波长为808nm，功率为20w，带宽为2nm，所述半导体激光发射器通过多模光纤将激光器和斩波器连接，优选地，所述多模光纤直径为400μm，长度为5m，光纤输出数值孔径为0.18-0.23之间，优选地为0.22。光纤输出数值孔径表征光纤端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响，过大或者过小都不适合。

其中，准直透镜组由一个双胶合准直镜头和一个双透镜准直镜头构成。

所述双胶合准直镜头包括相互胶合的两块透镜，其中第一块透镜厚度为12mm，材料为H-QK3L，第二块透镜厚度为6mm，材料为SF5，出射光线发散角RMS值为0.998μm。所用的双胶合准直镜头体积小，结构紧凑。

所述双透镜准直镜头包括厚度分别为6.7mm、13mm的两块凸透镜，玻璃材料均是BK7，出射光线发散角RMS值为0.904μm，透镜之间距离为100～125mm。所述双透镜准直镜头准直效果好，准直程度高。优选地，两块凸透镜之间距离为125mm。

所述短焦距激光接收组件由焦距为150-450mm，有效孔径D为30-50mm的焦距为300mm、有效孔径D为30mm的透射式镜头和分辨率为640×480、像元尺寸为10.6μm，帧频为60Hz的CCD相机组成，优选地，由焦距为300mm、有效孔径D为30mm的透射式镜头和分辨率为640×480、像元尺寸为10.6μm，帧频为60Hz的CCD相机组成，所述CCD相机的积分时间为0.35ms。。

所述摄像系统为一个摄像机，用于24h拍摄能见度情况；所述风速风向测量系统为三叶风速风向测量仪，用于探测实时风速和风向；所述温度传感器、压力传感器、湿度传感器分别用来探测实时的大气温度、大气压强和大气湿度。三个传感器独立于接收端探测模块(CCD系统)之外，避免接受端温控系统的影响。

所述温控模块独立于温度传感器、压力传感器和湿度传感器，设置于短焦距激光接收组件内部，用于控制短焦距激光接收组件的温度。

所述半导体激光发射器和短焦距激光接收组件的外侧设置有散热装置。

所述光学发射单元、光学接收单元、仪器控制和数据接收单元的外侧分别设置有外壳。

具体在应用时，发射端的激光光源经过光源驱动电路和自动光功率控制电路发出波长为808nm的激光光束，经过斩波器使光频率调制为10kHz，目的是测量大气中湍流的扰动。激光束经过准直透镜组二次准直后被接收端接收。光束经过聚焦透镜组之后被CCD相机接收，在经过数据预处理单元、A/D转换之后传至PC机的图像采集卡，通过图像监视软件和图像处理软件采集处理，最终在显示模块显示结果。

在实验中，对光斑图像的灰度值进行求和，然后在减去背景灰度值，可以得到用图像灰度值来表征的光斑能量大小，进而近似的得出接收单元所收到的光强的大小；通过图像处理软件求取CCD光斑的质心，从而得到光束到达角的变化，从而求得到达角起伏方差。然后分别根据能见度公式以及大气折射率结构常数光强起伏原理和到达角起伏原理公式计算出结果。

有益效果：与现有技术相比，本发明采用透射式测量的方法，同步获取大气能见度和大气湍流强度，另外，我们还在此基础上增加了温度、压强、湿度、风速和风向测量系统，形成了一个气象要素综合测量系统。这对于大气环境监测、空气质量预报、辐射气候和环境效应研究具有重要意义，另外，本发明发射端通过准直透镜发出准直激光光束被接收端的短焦距激光接收组件接收，经过图像采集单元和图像处理单元的处理可以得到大气能见度和大气湍流强度的测量结果，而分析这两个气象要素之间的关系，就是考虑整体气团的消光作用。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的原理连接示意图，其中，1为控制电源，2为光源驱动该电路，3为自动光功率控制电路，4为激光光源，5为斩波器，6为准直透镜组，7为聚焦透镜组，8为CCD相机，9为温控模块，10为温度传感器，11为湿度传感器，12为压力传感器，13为摄像系统，14为风力风向测量系统，15为数据预处理单元，16为A/D转化模块，17为图像采集卡，18为图像监视软件，19为图像处理软件，20为显示模块；

图3为利用本发明装置进行测量的结果图。

具体实施方式

下面结合具体附图通过具体的实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明提出了一种大气湍流强度和能见度测量装置，包括光学发射单元、光学接收单元、仪器控制和数据接收单元，光学发射单元、光学接收单元、仪器控制和数据接收单元的外侧分别设置有外壳，其中：

光学发射单元包括半导体激光发射器、斩波器、准直透镜组、控制电源、光源驱动电路和自动光功率控制电路，控制电源、光源驱动电路和自动光功率控制电路依次连接，半导体激光发射器发射的激光波长为808nm，功率为20w，带宽为2nm，半导体激光发射器通过直径为400μm、长度为5m的多模光纤将激光器和斩波器连接，斩波器最大输出频率为110kHz，光纤输出数值孔径为0.22。来自半导体激光发射器的激光经光源驱动电路和自动光功率控制电路发出激光光束，激光光束经斩波器进行光频调制，用于测量大气中湍流的扰动。

其中，准直透镜组由一个双胶合准直镜头和一个双透镜准直镜头构成。双胶合准直镜头包括两块透镜，其中第一块透镜厚度为12mm，材料为H-QK3L，第二块透镜厚度为6mm，材料为SF5，出射光线发散角RMS值为0.998μm。双透镜准直镜头包括厚度分别为6.7mm、13mm的两块凸透镜，玻璃材料均是BK7，出射光线发散角RMS值为0.904μm，透镜之间距离为125mm。

光接收单元包括短焦距激光接收组件、摄像系统、风速风向测量系统、温度传感器、压力传感器、湿度传感器和温控模块组成，控制电源分别与温度传感器、湿度传感器、压力传感器、摄像系统和风力风向测量系统相连接，其中，短焦距激光接收组件由焦距为300mm、有效孔径D为30mm的透射式镜头和分辨率为640×480、像元尺寸为10.6μm，帧频为60Hz的CCD相机组成，所述CCD相机的积分时间为0.35ms。摄像系统为一个摄像机，用于24h拍摄能见度情况。风速风向测量系统为三叶风速风向测量仪，设置于光学发射单元外壳的外侧，用于探测实时风速和风向。温度传感器、压力传感器、湿度传感器分别用来探测实时的大气温度、大气压强和大气湿度。温控模块独立于温度传感器、压力传感器和湿度传感器，设置于短焦距激光接收组件内部，用于控制短焦距激光组件的探测系统的温度，即CCD相机的温度。

仪器控制和数据接收单元包括依次连接的数据预处理单元、A/D转换单元、图像采集单元、图像处理单元和显示单元，其中，图像采集单元包括PC机和图像采集卡，该图像采集卡进一步分别通过图像监视软件和图像处理软件进行处理。

来自半导体激光发射器的激光光源经过光源驱动电路和自动光功率控制电路发出波长为808nm的激光光束，经过斩波器使光频率调制为10kHz，目的是测量大气中湍流的扰动。激光束经过准直透镜组二次准直后被接收端接收。光束经过聚焦透镜组之后被CCD相机接收，在经过数据预处理单元、A/D转换之后传至PC机的图像采集卡，通过图像监视软件和图像处理软件采集处理，最终在14显示模块显示结果。

在实验中，对光斑图像的灰度值进行求和，然后在减去背景灰度值，可以得到用图像灰度值来表征的光斑能量大小，进而近似的得出接收单元所收到的光强的大小；通过图像处理软件求取CCD光斑的质心，从而得到光束到达角的变化，从而求得到达角起伏方差。然后分别根据能见度公式以及大气折射率结构常数光强起伏原理和到达角起伏原理公式计算出结果。

具体地，本发明的装置通过如下方法进行计算：

(1)能见度测量原理：按照布格-朗伯定律，平行光在大气中的衰减可用下式表示：

F＝F0e^-σL

式中σ为消光系数，F0为L＝0时的光通量，即初始光通量。如果用MOR表示气象光学距离，即光通量衰减至5％所经过的距离，则

由上两式得：

(2).大气折射率结构常数测量原理：

a.光强起伏法

根据光传输理论,波长为λ的球面波经过大气湍流进行传播,如果以I表示光强,则在传播距离L处,直径为D的孔径内接收的对数光强起伏方差为

式中k为光波数且k＝2π/λ；K为空间波数；γ＝z/L为球面波的传播因子；表示折射率起伏的空间谱密度,可表示为

其中即为所求的大气折射率结构常数,f(Kl0)是描述内尺度效应的因子,对于均匀各向同性湍流,f(Kl0)＝1；F(K)是孔径滤波函数,对于内外径之比为ε的圆环接收孔径(ε＝0即为圆形接收孔径)F(K)为

通常用闪烁指数表示光强起伏的强度，

式中〈〉表示统计平均。已知在弱起伏条件下,闪烁指数与对数光强起伏方差的关系为

如果能够测量出一定接收孔径内的已知激光波长、路径长度、孔径参数,就可以利用反过来计算综上，即可推出原理公式：

在实际应用中并不是直接利用上式计算而是使用更为简单的定标公式

两式的相对误差小于6％。

b.到达角起伏法

大气湍流不但会造成激光光强的闪烁，而且会引起光束的到达角起伏。到达角起伏方差与大气折射率结构常数的关系为：

式中，D为光学接收器的孔径，L为传输距离。为方位方向上的到达角起伏方差，为俯仰角方向上的到达角起伏方差。根据所测得的到达角起伏方差可以根据上式计算出大气折射率结构常数。

(3)风向风速的测量

螺旋桨式风速计，即三叶风速风向测量仪，它是一组五叶螺旋桨绕水平轴旋转的风速计。螺旋桨装在一个风标的前部，使其旋转平面始终正对风的来向，它的转速正比于风速。

(4)温压湿的测量

温度、压强、湿度分别是通过温度传感器、压力传感器、湿度传感器测量得到。

本发明装置可以准确测量大气能见度和湍流强度，本项设计采用透射式测量的方法，同步获取大气能见度和大气湍流强度。另外，我们还在此基础上增加了温度、压强、湿度、风速和风向测量系统，形成了一个气象要素综合测量系统。这对于大气环境监测、空气质量预报、辐射气候和环境效应研究具有重要意义。