馬忠良，周樹道,2，劉　星

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 210044； 2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044； 3.解放軍海洋環(huán)境專項(xiàng)辦公室，北京 100081)

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基于光束掃描的透射儀測量光路自動準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計*

馬忠良1，周樹道1,2，劉星3

(1.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 210044； 2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044； 3.解放軍海洋環(huán)境專項(xiàng)辦公室，北京 100081)

提出了一種基于光束掃描的透射儀測量光路準(zhǔn)直方法，分析了該準(zhǔn)直方法的原理。基于該方法設(shè)計了測量光路自動準(zhǔn)直系統(tǒng)，該系統(tǒng)以LPC1768微控制器為核心，主要包括光強(qiáng)及位置信息采集模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊，并進(jìn)行了該系統(tǒng)的軟件設(shè)計。系統(tǒng)利用透射儀測量光路進(jìn)行對準(zhǔn)，易于實(shí)現(xiàn)與透射儀測量系統(tǒng)的融合，且具有高精度、自動化的特點(diǎn)。

自動準(zhǔn)直系統(tǒng)；光束掃描；透射儀

0　引言

能見度是表征大氣對視覺影響的物理量[1]，也是氣象觀測中的一個要素[2-3]，對能見度的測量通常采用能見度儀。透射式能見度儀(簡稱透射儀)不對大氣作均勻假設(shè)，直接探測大氣透過率和消光系數(shù)[4]，測量精度比較高，更加適合于低能見度條件下使用，目前廣泛應(yīng)用于機(jī)場跑道等大氣水平能見度測量場合。世界氣象組織(WMO)開展的能見度儀器比對也是以透射儀為比對標(biāo)準(zhǔn)[5]。透射儀收發(fā)兩端距離較遠(yuǎn)(>50m)，使得透射儀測量光路對準(zhǔn)困難。同時，儀器在風(fēng)力、熱應(yīng)力的作用下，收發(fā)兩端位置會發(fā)生偏移，從而影響測量光路準(zhǔn)直性。因此，在透射儀探測技術(shù)中，測量光路準(zhǔn)直是影響透射儀測量精度的關(guān)鍵技術(shù)[6]。

本文介紹了一種基于掃描方式的透射儀測量光路自動準(zhǔn)直系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高精度、自動化等特點(diǎn)，易于與透射儀測量系統(tǒng)結(jié)合?；贚PC1768微控制器設(shè)計了自動準(zhǔn)直系統(tǒng)的硬件電路，并介紹了該系統(tǒng)的軟件工作流程，通過多次對準(zhǔn)提高了準(zhǔn)直系統(tǒng)的對準(zhǔn)精度。

1　基于光束掃描方式的透射儀測量光路準(zhǔn)直原理

圖1　透射儀測量光路準(zhǔn)直模型

透射儀測量系統(tǒng)由發(fā)射器與接收器組成，透射儀測量光路的準(zhǔn)直就是使得發(fā)射器A發(fā)出的探測光束中心線與接收器B的接收視場中心線重合。這就要求發(fā)射器和接收器均處在對準(zhǔn)的位置。發(fā)射器或接收器的準(zhǔn)直狀態(tài)可通過兩個垂直方向的準(zhǔn)直方位角描述，如圖1中α、β所示。當(dāng)α、β均為0deg時，表示發(fā)射器A對準(zhǔn)。同理可得接收器B準(zhǔn)直方位角。

基于光束掃描方式的透射儀測量光路準(zhǔn)直方法準(zhǔn)直原理是使發(fā)射器(或接收器)進(jìn)行兩個垂直方向的掃描運(yùn)動，測量掃描運(yùn)動過程中發(fā)射器(或接收器)的角度和接收光強(qiáng)。由于各方向準(zhǔn)直方位角為光強(qiáng)隨角度變化曲線的對稱中心，因此，根據(jù)接收光強(qiáng)隨角度變化的關(guān)系得到測量光路準(zhǔn)直時發(fā)射器(或接收器)的準(zhǔn)直方位角。完成測量及數(shù)據(jù)處理以后，驅(qū)動發(fā)射器(或接收器)運(yùn)動使得各方位角為0deg，從而實(shí)現(xiàn)測量光路的對準(zhǔn)。

2　總體方案設(shè)計

透射儀的自動準(zhǔn)直系統(tǒng)是透射儀測量系統(tǒng)的輔助測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)及硬件、軟件設(shè)計均是在透射儀測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。準(zhǔn)直系統(tǒng)工作時需要完成光源控制、接收光強(qiáng)測量、方位角測量、數(shù)據(jù)存儲與處理以及驅(qū)動掃描和定位等功能?；趻呙璺绞降耐干鋬x測量光路準(zhǔn)直系統(tǒng)是利用透射儀本身測量光路進(jìn)行對準(zhǔn)，基于透射儀測量系統(tǒng)設(shè)計的自動準(zhǔn)直系統(tǒng)。在透射儀測量系統(tǒng)中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對測量光源的控制及接收光強(qiáng)的測量，因此，自動準(zhǔn)直系統(tǒng)主要完成對位置信息的測量及控制發(fā)射器及接收器的位置。準(zhǔn)直系統(tǒng)在透射儀測量系統(tǒng)微控制器的控制下進(jìn)行工作，并在微控制器中完成數(shù)據(jù)存儲與處理。準(zhǔn)直系

圖3　位置信息采集模塊電路原理圖

統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

透射儀測量系統(tǒng)的主控制器為LPC1768，相比于其他控制器，基于ARMCotex-M3內(nèi)核的LPC1 768微控制器具有32位運(yùn)算能力，且包含高達(dá)512KB的Flash存儲器、64KB的數(shù)據(jù)存儲器，具有豐富的外部接口，功能強(qiáng)大、使用靈活、成本合理。準(zhǔn)直系統(tǒng)的位置信息采集模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊通過I2C接口與微控制器相連，通過I2C總線傳輸控制命令和數(shù)據(jù)。

如圖2所示，位置信息采集模塊主要進(jìn)行方位角的測量，在掃描及定位的過程中均需要進(jìn)行方位角的測量。測量過程主要是將電位器采集的角度模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并發(fā)送至主控制器。電機(jī)驅(qū)動模塊主要驅(qū)動發(fā)射器或接收器進(jìn)行兩個垂直方向的掃描運(yùn)動并最終將發(fā)射器或接收器定位到準(zhǔn)直位置。電機(jī)驅(qū)動模塊主要是根據(jù)主控器輸出的控制命令產(chǎn)生電機(jī)控制電壓信號，驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3　硬件設(shè)計

3.1位置信息采集模塊

位置信息采集模塊硬件電路如圖3所示。模塊采集的位置信息為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，傳感器采用角度傳感器。兩個垂直方向分別為水平方向和垂直方向。模塊中采用ADS1015芯片進(jìn)行位置信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。該芯片為12位多路轉(zhuǎn)換芯片，可實(shí)現(xiàn)兩個垂直方向位置模擬信號高速、高精度轉(zhuǎn)換。主控制器通過I2C接口經(jīng)過PCA9517I2C中繼器來控制轉(zhuǎn)換芯片。模塊通過中繼器可與其他I2C設(shè)備相連接。由于在位置信息模擬信號中存在一定的噪聲成分，因此在ADS1015芯片模擬信號輸入端設(shè)計了前置濾波電路。

當(dāng)系統(tǒng)需采集相應(yīng)位置信息時，主控制器選通PCA9517，通過I2C總線發(fā)送ADS1015芯片地址訪問芯片，并發(fā)送相應(yīng)通道的轉(zhuǎn)換命令，啟動一次位置信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時，芯片置位RDY端口，提示主控芯片可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，芯片將轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過I2C總線發(fā)送至主控制器，完成一次位置信息的采集。

3.2電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊硬件電路如圖4所示。由于自動準(zhǔn)直系統(tǒng)的發(fā)射器與接收器需要進(jìn)行兩個垂直方向的掃描及定位，因此每一端需要水平及垂直兩個直流電機(jī)。模塊中采用DRV8830作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片。DRV8830芯片是一個低壓H橋電壓控制直流電機(jī)驅(qū)動器。工作電源電壓2.75V～6.8V。通過PWM電壓調(diào)節(jié)技術(shù)控制芯片的電壓輸出，使得芯片能夠在外部電源電壓不穩(wěn)的情況下保證電機(jī)運(yùn)行速度的穩(wěn)定。主控制器通過I2C總線控制驅(qū)動芯片的輸出電壓，進(jìn)而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動模式及轉(zhuǎn)速。由于驅(qū)動芯片的輸出為模擬信號，為了保證電機(jī)輸入電壓的穩(wěn)定，在直流電機(jī)輸入端設(shè)計了濾波電路。

圖4　電機(jī)驅(qū)動模塊電路原理圖

當(dāng)自動準(zhǔn)直系統(tǒng)需要進(jìn)行相應(yīng)方向的掃描或定位時，主控制器選通相應(yīng)的I2C中繼器，通過I2C總線發(fā)送DRV8830芯片地址訪問芯片，并發(fā)送相應(yīng)的控制命令，驅(qū)動電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動作。當(dāng)沒有新的控制命令時，驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)保持當(dāng)前狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4　軟件設(shè)計

圖5　系統(tǒng)軟件流程圖

透射儀自動準(zhǔn)直系統(tǒng)軟件主程序流程如圖5所示。

流程圖描述了接收器對準(zhǔn)過程，發(fā)射器對準(zhǔn)過程與接收器對準(zhǔn)過程類似。將透射儀安裝完畢以后，先進(jìn)行人工初始對準(zhǔn)。人工初始對準(zhǔn)的目的是讓接收器能夠接收到發(fā)射器發(fā)出的探測光。人工初始對準(zhǔn)完畢后，由主控制器運(yùn)行自動對準(zhǔn)程序，進(jìn)行自動對準(zhǔn)。為了提高自動準(zhǔn)直系統(tǒng)的對準(zhǔn)精度，系統(tǒng)對發(fā)射器和接收器分別進(jìn)行兩次對準(zhǔn)，每一次對準(zhǔn)操作按照先接收器后發(fā)射器的順序進(jìn)行。自動準(zhǔn)直程序首先進(jìn)行初始化，完成相關(guān)初始化之后，按照先水平軸后垂直軸的順序分別執(zhí)行掃描、光強(qiáng)及位置信息采集、數(shù)據(jù)處理和定位操作。掃描和定位主要由電機(jī)驅(qū)動模塊執(zhí)行，定位過程中仍需要進(jìn)行位置信息采集以判斷電機(jī)轉(zhuǎn)軸是否到達(dá)指定位置。光強(qiáng)信息采集是通過程序中的測量接收光強(qiáng)命令由透射儀中的接收光強(qiáng)測量模塊完成。數(shù)據(jù)處理是由主控制器根據(jù)測量的光強(qiáng)及位置數(shù)據(jù)計算得到相應(yīng)的方位角，該方位角即為定位過程中轉(zhuǎn)軸需要到達(dá)的位置。

5　結(jié)論

本文根據(jù)透射儀光學(xué)系統(tǒng)的特征，在其測量光路的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于掃描方式的自動準(zhǔn)直系統(tǒng)，并配合相關(guān)傳感器完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，并對軟件流程作了規(guī)劃，可以實(shí)現(xiàn)透射儀測量光路的自動對準(zhǔn)。該系統(tǒng)不需要另外設(shè)計對準(zhǔn)光源，且利用透射儀主控制器進(jìn)行控制，便于在透射儀測量系統(tǒng)中應(yīng)用。

[1] 饒瑞中. 大氣中的視覺和大氣能見度[J].光學(xué)學(xué)報,2010,30(9):2486-2492.

[2] 岳斌,董晶晶,孫東松,等. 便攜式激光雷達(dá)能見度儀的研制[J].紅外與激光工程,2008,37(S3):129-132.

[3] 牛利平,楊中秋.DT型大氣能見度儀的光學(xué)系統(tǒng)[J].光電工程,1990,17(6):1-6.

[4] 程紹榮,魏全忠,呂軍. 一種實(shí)用型大氣透射式能見度儀的研制[J].光電工程,2011,38(2):144-150.

[5] 邢向楠,崔巖梅,李濤, 等. 基于透射法的能見度測量裝置設(shè)計與實(shí)驗(yàn)研究[J].計測技術(shù),2011,31(3):10-13.

[6] 馬忠良，周樹道. 透射式能見度儀發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].氣象水文裝備,2015(2):9-12.

A design for optical path automatic alignment system of transmittance meter based on light beam scanning

MaZhongliang1，ZhouShudao1,2，LiuXing3

(1.CollegeofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210044,China；2.CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China；3.SpecialOfficeofthePLA’sMarineEnvironment,Beijing100081,China)

Aopticalpathalignmentmethodformeasurementopticalpathoftransmittancemeterbasedonlightbeamscanningwasproposed,andtheprincipleofthismethodwasanalyzed.Theautomaticalignmentsystemwasdesignedbasedonthismethod,andLPC1768wasusedasthemicrocontrollercoreofthesystem.Thesystemmainlyincludeslightintensityandlocationinformationacquisitionmoduleandmotordrivemodule.Andinthispaper,softwareprocesseswaspresented.Thesystemusestheopticalpathoftransmittancemetertorealizealignment,andeasytofusewithtransmittancemetermeasurementsystem.Thesystemhasfeaturesofhighprecisionandautomation.

automaticalignmentsystem;lightbeamscanning;transmittancemeter

國家自然科學(xué)基金(41301370)

TN12ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.15.012

2016-03-04)

馬忠良(1990-)，通信作者，男，碩士，主要研究方向：透射式能見度探測技術(shù)。E-mail：15250951167@163.com。

周樹道(1964-)，男，碩士，教授，主要研究方向：信息與信號處理。

劉星(1990-)，男，碩士，主要研究方向：信息與信號處理。

引用格式：馬忠良，周樹道，劉星. 基于光束掃描的透射儀測量光路自動準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(15)：42-44,47.