基于Si4432散射式大氣低能見度儀的設(shè)計(jì)方案

這一前提的正確性與大氣粒子的光學(xué)特性有關(guān)，光線在大氣傳播的消光效應(yīng)主要由吸收和散射引起，大氣溶膠主要由水滴構(gòu)成時，對光線的吸收作用主要取決于光線的傳播距離，若長度足夠小，則吸收作用便微弱到可以忽略不計(jì)。由于前向散射方式不需要長的光線傳輸距離，所以測得的散射系數(shù)就可以認(rèn)為是消光系數(shù)。

(3)通常情況下，選擇適當(dāng)?shù)慕嵌?，散射儀測量的散射光強(qiáng)與散射系數(shù)成正比例關(guān)系，與散射顆粒的尺寸大小無關(guān)。該前提可根據(jù)Mie散射理論證明其正確性。

許多學(xué)者通過對大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為選擇散射角θ 在20°~50°之間時，散射相函數(shù)P(θ )對氣溶膠譜分布的變化不敏感，基本為常數(shù)，而且散射光更強(qiáng)。根據(jù)Mie散射理論，此時散射光強(qiáng)度I (θ )與散射相函數(shù)P(θ )、散射系數(shù) S σ 、以及入射光強(qiáng)的關(guān)系為線性正比關(guān)系：

式(11)中，散射角θ 由儀器發(fā)射器與接收器的擺放角度決定;入射光強(qiáng)0 I 取決于光源與透鏡的參數(shù)，由儀器的具體光學(xué)設(shè)計(jì)確定，為定值;根據(jù)前提三可知散射相函數(shù)P(θ )為常數(shù)。由此可見，能見度值V與散射光強(qiáng)成正比關(guān)系，即接收到的散射光強(qiáng)越強(qiáng)，此時能見度越高，反之散射光強(qiáng)越弱，能見度越低。

3.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 前向散射式紅外光發(fā)射和接收裝置的光路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低能見度預(yù)警檢測儀的發(fā)射與接收裝置分置于支架的兩端，成35°夾角，發(fā)射光配置成雙光路，用于前向散射和光強(qiáng)穩(wěn)定參考。發(fā)射光源采用940nm波長的紅外LED組，用固定的低頻率方波進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，經(jīng)一定體積空氣柱散射進(jìn)入接收端，接收端選取對該波長響應(yīng)良好的光電接收傳感器，將接收到的散射光轉(zhuǎn)換為電信號后進(jìn)行調(diào)理和采集。發(fā)射器的參考光路中布置有光電接收器件，通過監(jiān)測發(fā)射裝置參考光路的光強(qiáng)，采用負(fù)反饋比較測量法進(jìn)行穩(wěn)定校準(zhǔn)，補(bǔ)償因溫度變化以及器件老化效應(yīng)等原因造成的發(fā)射光強(qiáng)不穩(wěn)定的問題，減小系統(tǒng)測量誤差。

3.2 基于微弱信號檢測的散射光接收信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

接收到的散射光轉(zhuǎn)換而成的電信號實(shí)際上是深埋在噪聲和干擾中的調(diào)制過的納安級的交流電流信號需要應(yīng)用微弱信號檢測技術(shù)進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換為幅度范圍合適的直流電壓信號送給AD進(jìn)行采樣和數(shù)值讀取。

微弱電流首先經(jīng)過高輸入阻抗的跨導(dǎo)前置放大，得到的是信噪比較低的交流電壓小信號，通過多階低噪聲高通、低通濾波器組成的帶通濾波器組，濾除50Hz工頻干擾并抑制高頻率干擾噪聲，進(jìn)行交流放大后送給鎖相放大器。鎖相放大器是各種微弱信號檢測技術(shù)中應(yīng)用廣泛、行之有效的檢測手段之一，利用信號具有自相關(guān)性而信號與干擾噪聲不相關(guān)的原理，從背景噪聲中提取有用信號，主要由相位敏感檢波器和低通濾波器構(gòu)成。信號經(jīng)過低通濾波得到的直流電壓的幅度即代表需檢測的接收散射光強(qiáng)。信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)中還需要考慮屏蔽、抗干擾措施以及低噪聲雙電源供電的實(shí)現(xiàn)。

3.3 以Cortex-M3架構(gòu)微處理器為核心的控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理部分采用基于ARM Cotex-M3內(nèi)核架構(gòu)的LPC17xx系列微處理器為核心的硬件平臺。LPC17xx系列具有較高的運(yùn)行速度和豐富的外設(shè)接口，滿足系統(tǒng)低成本、低功耗、高性能等方面的設(shè)計(jì)要求。控制系統(tǒng)硬件主要包括微處理器及其支持電路、實(shí)時時鐘(RTC)、SD卡本地?cái)?shù)據(jù)存儲電路、數(shù)據(jù)傳輸接口電路、AD采樣電路、溫度監(jiān)測電路等。

AD采樣使用16位精度具有自動校準(zhǔn)功能的AD7705芯片，使用SPI總線與處理器連接。溫度傳感器芯片選用LM75,使用IIC總線連接到處理器。數(shù)據(jù)傳輸主要通過USART和SPI數(shù)據(jù)總線接口實(shí)現(xiàn)。充分利用LPC17xx的定時器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字波形發(fā)生器和數(shù)字移相器，輸出用于發(fā)射光源調(diào)制的低頻方波信號，以及用于鎖相放大器相敏檢波的移相參考波形，采用負(fù)反饋比較測量法自動確定所需調(diào)節(jié)的相位，以替代傳統(tǒng)的模擬電路搭建的方波發(fā)生電路及移相電路，可簡化硬件設(shè)計(jì)和相位調(diào)節(jié)的調(diào)試過程，有利于提高穩(wěn)定性?？驁D如圖1所示。

3.4 多種傳輸方式的預(yù)警數(shù)據(jù)輸出方案設(shè)計(jì)

低能見度預(yù)警檢測儀的數(shù)據(jù)輸出支持有線傳輸、短距離無線數(shù)傳以及公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸多種方式，以應(yīng)對現(xiàn)場復(fù)雜的安裝條件以及多樣的應(yīng)用需求，靈活方便地接入到預(yù)警監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。有線傳輸使用MAX232和MAX13082接口芯片，與微處理器UART連接，完成TTL電平到RS232和RS485電平標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。短距離RF無線數(shù)傳采用Silicon Labs EZRadioPRO系列ISM頻段無線收發(fā)一體芯片SI4432,該芯片最新版本為B1版，與微處理使用SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)通信，在240-960MHz頻率下輸出功率可達(dá)+20dBm,接收靈敏度-117dBm,實(shí)現(xiàn)500米范圍內(nèi)與可變信息牌、路標(biāo)等現(xiàn)場預(yù)警執(zhí)行設(shè)備的可靠數(shù)據(jù)傳輸。在沒有有線通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的地方，使用GPRS或CDMA公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，將預(yù)警情況及時通報(bào)給指揮監(jiān)控中心及相關(guān)值班人員。多種方式數(shù)據(jù)傳輸采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)傳輸模塊的配置和更換，有助于降低設(shè)備成本。