肖韶榮，吳群勇，周 佳，徐 猛，尚國慶

(1.南京信息工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

引言

能見度是重要的氣象要素之一，它的測量可應(yīng)用于氣象、航空、航海、道路交通等部門，在激光通信、圖像傳輸中也產(chǎn)生重要影響。能見度的測量主要有散射法、透射法、目測法等，透射法是嚴格定義下的能見度測量方法[1]。能見度測量的核心問題是對大氣消光系數(shù)的測量，大氣氣溶膠粒子是大氣消光的最主要因素，消光系數(shù)等于吸收系數(shù)與散射系數(shù)之和[2-3]。對于透射式能見度儀，發(fā)射器發(fā)射光強及基線固定時，可通過計算接收器檢測的接收光強與發(fā)射光強的比值求得消光系數(shù)，根據(jù)消光系數(shù)反演大氣能見度值。散射法中選擇大氣吸收區(qū)以外的光波長，以某一方向的散射系數(shù)代表光束傳輸過程中的總散射系數(shù)，并將該散射系數(shù)視為大氣消光系數(shù)。另一方面，散射法的取樣區(qū)域較小，取樣代表性較差。因此，散射法的準確度不如透射法。

系統(tǒng)動態(tài)范圍指能正常檢測時接收機輸入端的信號變化范圍。動態(tài)范圍下限受接收機靈敏度限制，在未采用信號處理條件下，該下限受接收機輸入端等效噪聲電平的限制；其上限則受放大器過載飽和或波形非線性失真規(guī)定值的限制[4]。只有在接收系統(tǒng)動態(tài)范圍之內(nèi)測得的光強值，計算出的能見度才準確，可見能見度儀的動態(tài)范圍對其測量很重要，因此擴展儀器的動態(tài)范圍是有一定實際意義的。文獻[5]中提到能見度儀接收器的飽和溢出問題，并提出采用自動增益控制(AGC)技術(shù)[6]來擴展接收器的動態(tài)范圍。但是，反饋電阻的電子噪聲對系統(tǒng)的測量產(chǎn)生較大影響，且自動增益控制技術(shù)不能改善光電探測器非線性響應(yīng)或飽和問題。本文提出利用光學(xué)衰減片與電機組合來擴展系統(tǒng)動態(tài)范圍，降低了反饋電阻噪聲對系統(tǒng)的影響，解決了因探測器飽和引起的系統(tǒng)輸出問題，提高了系統(tǒng)的檢測性能。

1 能見度測量原理

能見度在氣象上的定義是：標(biāo)準視力的眼睛觀察水平方向以天空為背景的黑體目標(biāo)物時，能從背景上分辨出目標(biāo)物輪廓的最大水平距離。世界氣象組織用氣象光學(xué)視程對能見度定義為“白熾燈在色溫2 700 K時發(fā)出的平行光束，光通量在大氣中衰減至初始值的5%時所經(jīng)過的路徑長度”[8]。

世界氣象組織規(guī)定，對于氣象能見度，視覺閾值ε=0.02，根據(jù)Koschmieder定律，能見度R表示為[9]

(1)

式中，σ為大氣水平消光系數(shù)。

對于氣象光學(xué)視程，ε=0.05，能見度R表示為

(2)

透射式能見度儀的光學(xué)原理圖如圖1所示。

圖1 透射式能見度儀光學(xué)原理圖Fig.1 Optical schematic diagram of transmittance meter

由Bouguer-Lambert定律，大氣消光系數(shù)σ為

(3)

式中:L為基線長度，即發(fā)射器到接收器之間的距離;I為經(jīng)傳輸距離L衰減后的接收光強;I0為發(fā)射器發(fā)射光強。根據(jù)Koschmieder定律可求得氣象能見度R的計算公式：

(4)

2 系統(tǒng)動態(tài)范圍擴展方法

對于透射式能見度儀，在確定能見度測量范圍下限時，為提高接收系統(tǒng)對微弱光信號的檢測，通常需要設(shè)置較高的系統(tǒng)靈敏度[10]。然而在大氣透明度高、透射光較強環(huán)境中，高靈敏度容易使系統(tǒng)飽和，限制了系統(tǒng)動態(tài)范圍，限制了能見度測量范圍的上限。同樣，在確定能見度測量范圍上限時，為防止較強的光信號使系統(tǒng)飽和，通常設(shè)置較低的系統(tǒng)靈敏度，但在大氣透明度低、透射光微弱時，較低的靈敏度會降低系統(tǒng)對微弱光信號的檢測能力，限制了能見度測量范圍的下限。

目前主要采用自動增益控制技術(shù)來擴展系統(tǒng)的動態(tài)范圍，采用多路開關(guān)選擇不同阻值的反饋電阻，通過電路反饋來實現(xiàn)系統(tǒng)增益的自動調(diào)節(jié)，當(dāng)接收光信號微弱時，提高系統(tǒng)增益；接收光信號較強時，降低系統(tǒng)增益。然而，自動增益控制技術(shù)的電子噪聲對系統(tǒng)測量產(chǎn)生較大影響，同時較強光信號會使探測器飽和，甚至?xí)蛊鋼p壞[11]。而利用電機與光學(xué)衰減片的組合，通過降低接收光強度，一定程度上保護了光電探測器，也保證了系統(tǒng)測量的準確性。

2.1 實驗裝置

圖2是接收系統(tǒng)動態(tài)范圍擴展框圖。測量中，發(fā)射模塊采用經(jīng)1 KHz方波調(diào)制的LED光源，接收模塊采用PIN13DSB光電探測器的零偏置模式，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路將光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；再經(jīng)中心頻率為1 KHz的帶通濾波電路提取可用的正弦信號；正弦信號通過有效值轉(zhuǎn)換電路輸出直流信號；經(jīng)過后置放大、濾波電路對信號進行放大，使接收光信號轉(zhuǎn)換為具有線性關(guān)系的電壓信號；再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，由單片機微處理器處理后顯示測量數(shù)據(jù)；測量中，通過對單片機編程，設(shè)置接收光信號的閾值，當(dāng)接收光信號達到閾值時，單片機程序驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，切換衰減片狀態(tài)。測量中采用中性密度衰減片，設(shè)衰減片的透過率為α，系統(tǒng)的飽和閾值光強為ITH，且經(jīng)衰減片衰減后的光強值IN=αITH，加入衰減片后的系統(tǒng)能接收的最大光強為IM=ITH/α。

圖2 測量系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Block diagram of measurement system

系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能：a)光強超過ITH時，電機順時針旋轉(zhuǎn)，衰減片置于光路中，擴展系統(tǒng)的動態(tài)范圍；b)光強值低于IN時，電機逆時針旋轉(zhuǎn)，衰減片處于光路外，完成系統(tǒng)對弱光信號的檢測；c)衰減片狀態(tài)穩(wěn)定時，系統(tǒng)掉電后再次啟動，能自動判斷衰減片的狀態(tài)。

2.2 信號處理

如圖2所示，若發(fā)射光信號是脈寬為τ，周期為T，幅度為I0的光脈沖信號，由光學(xué)和信號理論分析可知，發(fā)射光信號表示為

(5)

其中:u(t)為單位階躍信號;n為脈沖序數(shù)。經(jīng)基線為L、透過率為α的衰減片后，光電探測器接收的光信號為

(6)

光電轉(zhuǎn)換后的電信號為

U(t)=-Rfi(t)=-ρRfI(t)

(7)

式中:i(t)為光電探測器輸出的電流信號;Rf為轉(zhuǎn)移電阻;ρ為光電探測器的響應(yīng)率。通過帶通濾波器后的輸出為[12]

e-σ Lej[ω0t-ΦA(chǔ)(ω0)]

(8)

式中:ω0=2πf0為帶通濾波器的中心頻率;A(ω0)為濾波器的增益;ΦA(chǔ)(ω0)為濾波器引入的相移。濾波器輸出的1 kHz正弦波信號通過有效值轉(zhuǎn)換后輸出的直流電壓信號表示為

(9)

經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換電路輸出的直流電壓信號幅度較小，不利于AD的采樣，因此需要進行后置放大、無源濾波處理，信號處理后的輸出可表示為

(10)

式中，k為放大濾波處理后的比例系數(shù)。令α=1，L=0，由(10)式可求得發(fā)射光強對應(yīng)輸出的電信號：

(11)

由(10)、(11)式，將大氣消光系數(shù)表達為

(12)

式中K為儀器定標(biāo)常數(shù)。(12)式表明大氣消光系數(shù)可由發(fā)射光、透射光的電壓信號和衰減片的透過率確定。

3 測量結(jié)果與討論

測量中通過改變加載到LED光源的調(diào)制信號的幅度控制LED光源的發(fā)射光強。設(shè)置系統(tǒng)飽和光強閾值為ITH，采用透過率α=60%中性密度衰減片，根據(jù)理論計算IM=ITH/α=1.67ITH；若α=12%，則IM=8.33ITH。程序中通過控制電機的順時針、逆時針旋轉(zhuǎn)來降低電機的旋轉(zhuǎn)角度誤差。

3.1 兩種方式實現(xiàn)電路增益調(diào)節(jié)的比較

圖3是未加衰減片電路的輸出波形，頻率為1 kHz，峰峰值為496 mV的脈沖信號。以圖3作為參照，圖4是加入衰減片(α=60%)后的電路輸出波形；圖5是未加衰減片，通過減小反饋電阻來降低電路增益的電路輸出波形；圖6是為未加衰減片，通過增大反饋電阻來提高電路增益的輸出波形。

圖3 未加衰減片電路輸出波形Fig.3 Circuit output waveform without attenuator

圖4 加衰減片電路的輸出波形Fig.4 Circuit output waveform with attenuator

圖5 減小反饋電阻電路的輸出波形Fig.5 Circuit output waveform by decreasing feedback resistance

圖6 增大反饋電阻電路的輸出波形Fig.6 Circuit output waveform by increasing feedback resistance

從圖3、圖4可知，信號的波形在衰減前后只在幅度上降低，波形未發(fā)生變化；從圖3、圖5、圖6可知，信號的波形在幅度變化的同時，也疊加了較多毛刺?？梢姡ㄟ^衰減片來調(diào)節(jié)電路的增益不會引入電子噪聲，而通過調(diào)節(jié)反饋電阻來調(diào)節(jié)電路增益，則容易引入較多的電子噪聲。

3.2 衰減片透過率對系統(tǒng)動態(tài)范圍擴展的影響

圖7是未加衰減片時系統(tǒng)的測量結(jié)果圖，圖8是加入衰減率為α=60%的中性密度衰減片后系統(tǒng)的測量結(jié)果圖；圖9、圖10為α=12%時未加衰減片和加衰減片的測量結(jié)果圖。需說明的是，圖7、圖8是在系統(tǒng)同一靈敏度下的測試結(jié)果，圖9、圖10為系統(tǒng)在另一相同靈敏度下的測試結(jié)果。

圖7 未加衰減片測量結(jié)果圖Fig.7 Measurement map without attenuator

圖8 加衰減片測量結(jié)果圖Fig.8 Measurement map with attenuator

圖9 未加衰減片測量結(jié)果圖Fig.9 Measurement map without attenuator

圖10 加衰減片測量結(jié)果圖Fig.10 Measurement map with attenuator

基于最小二乘法，分別對圖7、圖8、圖9、圖10中的實驗數(shù)據(jù)在線性區(qū)作直線擬合，結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理表Table 1 Form of system data processing

分析表1可知：α=60%時，加衰減片后，系統(tǒng)動態(tài)范圍擴展了0.6倍；α=12%，加衰減片使系統(tǒng)動態(tài)范圍擴展了6.9倍。衰減片的衰減率與系統(tǒng)動態(tài)范圍成正比例關(guān)系，衰減率越大，系統(tǒng)動態(tài)范圍擴展越大。因此，可通過選擇不同衰減率的中性密度衰減片，實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)范圍的靈活擴展。

3.3 衰減片透過率的測試精度對系統(tǒng)測量結(jié)果的影響

分析(10)式，等式兩邊作微分：

(13)

(13)式除以(10)式，得

(14)

從(14)式可知，衰減片透過率α取值固定時，衰減片越穩(wěn)定，系統(tǒng)測量結(jié)果的不確定度就越??；衰減片透過率α的誤差范圍確定時，衰減片透過率越高，系統(tǒng)測量結(jié)果的不確定度就越小。

4 結(jié)論

通過光學(xué)衰減片與電機組合，能夠有效擴展系統(tǒng)線性動態(tài)范圍。特別值得注意的是利用光學(xué)衰減片來實現(xiàn)電路動態(tài)范圍的擴展不會引入電子噪聲，且在一定程度上克服了光電探測器的非線性響應(yīng)或飽和對測量的影響。實驗結(jié)果表明，該方法簡單可靠。同時，可選擇不同衰減率的中性密度衰減片，實現(xiàn)系統(tǒng)線性動態(tài)范圍的靈活擴展。

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