專利名稱：大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
能見度測(cè)量在航空、航海、高速路等交通領(lǐng)域的安全方面和研究大氣污染方面具 有重大意義。能見度測(cè)量的結(jié)果決定了機(jī)場(chǎng)、港口和高速路的開放和關(guān)閉，是各類運(yùn)輸裝備 的駕駛?cè)藛T進(jìn)行操作所參考的氣象要素。較長(zhǎng)時(shí)間以來，準(zhǔn)氣象部門由于缺少相關(guān)的觀測(cè) 儀器只能通過觀察人工預(yù)置的黑樁進(jìn)行能見度的判斷，測(cè)量結(jié)果存在較大誤差。近年來出現(xiàn)了各種能夠測(cè)量能見度的儀器設(shè)備，這些設(shè)備通過測(cè)試能見度的相關(guān) 參量來推算能見度，其中包括透射式、前向散射式和后散射式。透射式能見度測(cè)量設(shè)備包括一體式和分體式兩類。一體式如圖1所示，是指發(fā)射 裝置和接收裝置設(shè)置在同一箱體內(nèi)，在一定距離之外設(shè)置反射器，使用不同角度分開的多 測(cè)量基線。通常，一體式透射儀采用氙閃光燈或激光作為脈沖發(fā)光源，當(dāng)能見度在適度范圍 內(nèi)變化時(shí)，采用相應(yīng)的某一測(cè)量基線。在接收器接近最大值時(shí)，接收單元信號(hào)驅(qū)動(dòng)透射整機(jī) 自動(dòng)轉(zhuǎn)接到另一條大或小的基線上，保證接收器得到合適的信號(hào)值。在安裝過程中，一體式 需要反射器進(jìn)行非常精確地調(diào)整，以把發(fā)射光返回到接收器的位置，來保證發(fā)射光準(zhǔn)確進(jìn) 入接收器中心孔位置(為克服雜散光影響，接收器孔直徑較小，一般只有直徑10毫米左右 的深孔洞)，如果采用多基線安裝，難度成倍增加。分體式能見度測(cè)量設(shè)備如圖2所示，是指發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別安裝在一條基線的 兩端，對(duì)于一臺(tái)發(fā)射機(jī)，需要在15米和75米的相對(duì)位置上分別安裝兩臺(tái)接收機(jī)。分體式的 單基線在15米至75米范圍內(nèi)同樣存在光軸對(duì)準(zhǔn)的問題。由于透射式基本都采用脈沖氙燈 發(fā)射光技術(shù)，氣象采樣空間較小。如圖3所示，前向散射式能見度測(cè)量設(shè)備的發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)被分別安裝在相 距有1. 2米、都向下傾斜35度并在交匯處形成800毫升的取樣空間區(qū)域，能見度空間代表 性變小。如圖4所示，后向散射能見度測(cè)量設(shè)備的發(fā)射機(jī)向上傾斜與接收機(jī)的光軸大約在 15米的距離上相交，后向散射式雖然將發(fā)射/接收的空間相對(duì)位置增加到15米，但采樣空 氣體積加大，氣象代表性仍然不夠?？傊?dāng)前的各類透射儀、散射儀只能安裝在較短的距離范圍，空間小，導(dǎo)致 取樣空氣代表性就小，能見度距離測(cè)量受到相當(dāng)大的限制，精度和相對(duì)誤差一般超過 20% -30%。

實(shí)用新型內(nèi)容為克服現(xiàn)有能見度測(cè)量設(shè)備中距離范圍小、測(cè)量精度差的缺陷，本實(shí)用新型提出 一種大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提出了一種大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，包括光學(xué)錐體反射器和大氣能見度測(cè)量?jī)x，其特征在于所述大氣能見度測(cè)量?jī)x包括大物鏡、測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡和目鏡，所述目鏡處于所述 大物鏡的焦點(diǎn)的后方，所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡置于大物鏡和目鏡之間，所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡 的內(nèi)部反射面是鍍有半透半反膜的膠合面。所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡的尺寸被設(shè)計(jì)使得入射到所述大物鏡的平行光匯聚在所述 測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡左側(cè)表面時(shí)邊長(zhǎng)大于匯聚光形成的圓形的直徑。所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡內(nèi)部反射面是45度膠合面。所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡內(nèi)部反射面鍍有700nm分界的半透半反膜。所述目鏡包括調(diào)焦鏡組和目鏡組。所述系統(tǒng)還包括兩個(gè)45度斜方棱鏡，其布置在所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡會(huì)聚的紅外 光形成的圓形的直徑上，將所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡的所述紅外光圓形分為兩個(gè)半圓。所述系統(tǒng)還包括參考光路，所述參考光路包括兩個(gè)半透射半反射平鏡、兩個(gè)凸透 鏡，其中，所述半透射半反射平鏡布置在所述45度斜方棱鏡的反射光路上方，與該反射光 路成45度角；所述凸透鏡布置在所述半透射半反射平鏡之間，用于將所述半透射半反射平 鏡的透射光進(jìn)行聚焦。所述凸透鏡的焦距為焦點(diǎn)和所述凸透鏡之間的距離，所述凸透鏡的焦距為焦點(diǎn)和 所述凸透鏡之間的距離。所述參考光路還包括兩個(gè)光閥和，分別布置在作為發(fā)射端的所述半透射半反射平 鏡的兩端的光路上。本系統(tǒng)可以測(cè)量光能在大氣中的衰減程度，可以確定每米光能衰減的程度，從而 得到光能在多少距離衰減到人眼無法分辨的程度，實(shí)現(xiàn)能見度的精確測(cè)量。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一體透射式能見度測(cè)量設(shè)備的布置和基線的示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的分體透射式能見度測(cè)量設(shè)備的示意圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)的前向散射式能見度測(cè)量設(shè)備的示意圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)的后向散射式能見度測(cè)量設(shè)備的示意圖；圖5是根據(jù)本實(shí)用新型的第一實(shí)施例的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)示意圖；圖6是根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)示意圖；和圖7是根據(jù)本實(shí)用新型的第三實(shí)施例的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型提供的一種大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行 詳細(xì)描述。圖5示出根據(jù)本實(shí)用新型的第一實(shí)施例的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)。如圖5所示，其 中，該大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)包括光學(xué)錐體反射器1和大氣能見度測(cè)量?jī)x，所述大氣能見度 測(cè)量?jī)x包括大物鏡2、測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3和目鏡4。圖中還示出紅外測(cè)量光焦點(diǎn)5。其中，光 學(xué)錐體反射器1依據(jù)測(cè)量需要和大物鏡2保持較遠(yuǎn)的距離，目鏡4處于大物鏡2的焦點(diǎn)的 后方，圖1中為示意需要，將目鏡4置于焦點(diǎn)處，但本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員明白在實(shí)際觀測(cè)
4中，這樣的布置不會(huì)限制目鏡4的位置，并且目鏡4可以放置在焦點(diǎn)后方易于觀測(cè)的任一位 置。測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3置于大物鏡2和目鏡4之間，用于接收大物鏡2和目鏡4之間傳輸 的光路，其大小要保證從進(jìn)入大物鏡2的平行光匯聚在測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3左側(cè)表面時(shí)，正方 形邊長(zhǎng)大于匯聚形成的圓形直徑。其中，測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3的內(nèi)部反射面是45度膠合面，當(dāng)測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3的45 度膠合面全通光時(shí)，則測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3、大物鏡2和處于測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3的焦點(diǎn)后方的 目鏡4構(gòu)成測(cè)量?jī)x，用于瞄準(zhǔn)光學(xué)錐體反射器1 ；其次，當(dāng)測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3的45度膠合面 全反光時(shí)，光軸將折轉(zhuǎn)到焦點(diǎn)5 ；也就是說焦點(diǎn)4和焦點(diǎn)5共軛?？梢姽夤庾V在400nm到 700nm,在測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3的45度膠合面鍍上700nm分界的半透半反膜，使得700nm以下 的可見光全透射，700nm以上的紅外光全反射。其中，選擇45度膠合面是為反射效率達(dá)到 最高，并且到達(dá)焦點(diǎn)5的光軸垂直于入射光軸，便于構(gòu)建，然而，也可以選擇其它角度，例如 30-60度，或者20-80度的膠合面。目鏡4可以是用于望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的調(diào)焦鏡組和目鏡組。這樣，該光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)就被分為可見光的望遠(yuǎn)系統(tǒng)和紅外光的測(cè)量系統(tǒng)，而且這 兩個(gè)系統(tǒng)是完全同軸的。也就是說，當(dāng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)光學(xué)錐體反射器1時(shí)，光學(xué)錐體反射器 1就是紅外測(cè)量系統(tǒng)的目標(biāo)，保證精確測(cè)量光路的正確性與安裝便利。圖6是根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)示意圖，將圖5的紅 外測(cè)量光焦點(diǎn)5處的光路進(jìn)一步分解成發(fā)射和接收光路。圖6中的光學(xué)錐體反射器1、大物 鏡2、測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3、目鏡4和紅外測(cè)量光焦點(diǎn)5位置與圖5中所示一致。如圖6所示，當(dāng)一束與光路系統(tǒng)光軸平行的平行光從大物鏡外進(jìn)入光路，其中可 見部分到達(dá)焦點(diǎn)4，紅外部分到達(dá)望遠(yuǎn)測(cè)量分光鏡3的上表面形成一個(gè)圓形，其中，從大物 鏡2到達(dá)焦點(diǎn)5的是圓錐體形的紅外光，其中任一個(gè)橫切面都是一個(gè)圓形，沿著這個(gè)圓形的 直徑放置兩個(gè)45度斜方棱鏡8和9，紅外光進(jìn)入45度斜方棱鏡8和9后，將在45度出射面 上發(fā)生全反射。測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3的上表面的圓形被45度斜方棱鏡8、9分為兩個(gè)半圓，原 來的一個(gè)焦點(diǎn)5被分割成兩個(gè)焦點(diǎn)6和7。依據(jù)光路可逆原理，在這兩個(gè)焦點(diǎn)6和7的任一焦點(diǎn)處發(fā)射(假設(shè)焦點(diǎn)6)的紅外 光將形成大物鏡2外的半圓形平行光。如果這個(gè)半圓形的圓心與光學(xué)錐體反射器1的頂點(diǎn) 重合，入射到光學(xué)錐體反射器1的紅外光被反射到光學(xué)錐體反射器1的另一側(cè)斜面，并再次 反射出光學(xué)錐體反射器1，此時(shí)，對(duì)于光學(xué)錐體反射器1而言，入射光與出射光互相平行組 成了一個(gè)圓形，各自占據(jù)半邊但又互不相擾。返回的平行紅外光才會(huì)匯聚在另一個(gè)焦點(diǎn)上 (焦點(diǎn)7)。使用頂點(diǎn)角度90度的光學(xué)錐體反射器1，測(cè)量的回光信號(hào)就是經(jīng)由光學(xué)錐體反 射器1折返的發(fā)射信號(hào)，普通物質(zhì)(如大氣，鏡面)表面的漫反射不會(huì)到達(dá)接收焦點(diǎn)(焦點(diǎn) 7)處。此時(shí)，如果入射光橫截面的半圓形圓心與錐體頂點(diǎn)發(fā)生偏移，則會(huì)形成能量損失。基于上述的發(fā)射_折轉(zhuǎn)_折轉(zhuǎn)_接收，能見度測(cè)量在本申請(qǐng)中稱之為回歸透射式 能見度測(cè)量。這是因?yàn)閺陌l(fā)射到接收到信號(hào)，其光路是完全獨(dú)立的，發(fā)射信號(hào)在大氣中穿行 時(shí)，不會(huì)因?yàn)榇髿獾穆瓷涠纬山邮招盘?hào)，必須經(jīng)由光學(xué)錐體反射器1才能回到接收焦 點(diǎn)處，形成接收信號(hào)。圖7是根據(jù)本實(shí)用新型的第三實(shí)施例的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)示意圖，圖7所示的 布置相對(duì)于圖6增加了參考光路。圖7中光學(xué)錐體反射器1、大物鏡2、測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3、 目鏡4和45度斜方棱鏡8、9位置與圖6中所示一致。
5[0037]在圖7中，針對(duì)儀器內(nèi)部參量變化帶來的測(cè)量誤差，增加參考光路，用設(shè)定的已知 光路的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)能見度測(cè)量過程的校準(zhǔn)。所述參考光路包括兩個(gè)半透射半反射平鏡10 和13、兩個(gè)凸透鏡11和12，其中半透射半反射平鏡10和13布置在45度斜方棱鏡8、9的 反射光路上方，與該反射光路成45度角；凸透鏡11和12布置在半透射半反射平鏡10和13 之間，用于將半透射半反射平鏡10和13的透射光進(jìn)行聚焦。凸透鏡12的焦距為焦點(diǎn)6和 凸透鏡12之間的距離，凸透鏡11的焦距為焦點(diǎn)7和凸透鏡11之間的距離。參考光路還包 括兩個(gè)光閥14和15，分別布置在作為發(fā)射端的半透射半反射平鏡10或者13的兩端的光路 上。測(cè)量參考光路時(shí)，光閥14開啟，光閥15關(guān)閉，發(fā)射光從焦點(diǎn)6發(fā)出，經(jīng)半透射半反 射平鏡13反射的部分光向右折轉(zhuǎn)，通過凸透鏡12后變成平行光(因?yàn)槲恢?為其焦點(diǎn))， 經(jīng)由凸透鏡11匯聚，半透射半反射平鏡10反射，到達(dá)焦點(diǎn)7。測(cè)量外光路時(shí)，光閥14關(guān)閉，光閥15開啟，發(fā)射光從焦點(diǎn)6發(fā)出，透過半透射半反 射平鏡13，經(jīng)45度斜方棱鏡9和測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3的下半部的折反射，從大物鏡2下半部 透射變成平行光射出，到達(dá)光學(xué)錐體反射器1下半部后經(jīng)兩次反射，調(diào)轉(zhuǎn)方向，從光學(xué)錐體 反射器1的上半部出射，回到大物鏡2的上半部進(jìn)行匯聚，經(jīng)測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡3上半部和45 度斜方棱鏡8反射，經(jīng)半透射半反射平鏡10透射，到達(dá)焦點(diǎn)7。使用上述兩次測(cè)量，一次是未經(jīng)大氣衰減的發(fā)射光產(chǎn)生的接收響應(yīng)，即測(cè)量參考 光路時(shí)；一次是經(jīng)過大氣衰減的發(fā)射光產(chǎn)生的接收響應(yīng)，即測(cè)量外光路時(shí)；二者所得結(jié)果 相減就是大氣衰減的能量E。如果，假設(shè)測(cè)量系統(tǒng)到光學(xué)錐體反射器的距離為M，那么大氣 衰減實(shí)際采樣距離是2M，此時(shí)可以得到E/2M，就是每米衰減的光能。當(dāng)設(shè)定光能量衰減到 一定程度K(應(yīng)為經(jīng)驗(yàn)值)為不可見，則能見度距離值為(K/E)X2M。本實(shí)用新型基于光發(fā)射，接收與望遠(yuǎn)瞄準(zhǔn)共軸于一體。實(shí)現(xiàn)用光學(xué)錐體反射器，將 發(fā)出的光折返回歸到同一儀器內(nèi)，最終達(dá)到接收器工作位置。此時(shí)，儀器所獲得的是光能在 穿過大氣后衰減部分能量的光。其衰減程度在距離確定條件下，可以確定每米距離光能衰 減范圍置，因此能夠計(jì)算得到光能會(huì)在多少距離衰減到人眼無法分辨的定義值，也就是達(dá) 到能見度的測(cè)量目的。最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本實(shí)用新型的技術(shù)方案而不是對(duì)本技術(shù) 方案進(jìn)行限制，本實(shí)用新型在應(yīng)用上可以延伸為其他的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施例，并且因 此認(rèn)為所有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本實(shí)用新型的精神和教導(dǎo)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，包括光學(xué)錐體反射器(1)和大氣能見度測(cè)量?jī)x，其特征在于所述大氣能見度測(cè)量?jī)x包括大物鏡(2)、測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)和目鏡(4)，所述目鏡(4)處于所述大物鏡(2)的焦點(diǎn)的后方，所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)置于大物鏡(2)和目鏡(4)之間，所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)的內(nèi)部反射面是鍍有半透半反膜的膠合面。
2.權(quán)利要求1所述的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)的尺 寸被設(shè)計(jì)使得入射到所述大物鏡(2)的平行光匯聚在所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)左側(cè)表面時(shí) 邊長(zhǎng)大于匯聚光形成的圓形的直徑。
3.權(quán)利要求1所述的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)內(nèi)部 反射面是45度膠合面。
4.權(quán)利要求1所述的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)內(nèi)部 反射面鍍有700nm分界的半透半反膜。
5.權(quán)利要求1所述的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述目鏡(4)包括調(diào)焦鏡組和 目鏡組。
6.權(quán)利要求1所述的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括兩個(gè)45度斜 方棱鏡(8)和(9)，其布置在所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)會(huì)聚的紅外光形成的圓形的直徑上， 將所述測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)的所述紅外光圓形分為兩個(gè)半圓。
7.權(quán)利要求6所述的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括參考光路，所 述參考光路包括兩個(gè)半透射半反射平鏡(10)和(13)、兩個(gè)凸透鏡(11)和(12)，其中，所述 半透射半反射平鏡(10)和(13)布置在所述45度斜方棱鏡(8)和(9)的反射光路上方， 與該反射光路成45度角；所述凸透鏡(11)和(12)布置在所述半透射半反射平鏡(10)和 (13)之間，用于將所述半透射半反射平鏡(10)和(13)的透射光進(jìn)行聚焦。
8.權(quán)利要求7所述的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述凸透鏡(12)的焦距為焦 點(diǎn)(6)和所述凸透鏡(12)之間的距離，所述凸透鏡(11)的焦距為焦點(diǎn)(7)和所述凸透鏡 (11)之間的距離。
9.權(quán)利要求7所述的大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述參考光路還包括兩個(gè)光 閥(14)和(15)，分別布置在作為發(fā)射端的所述半透射半反射平鏡(10)或者(13)的兩端的光路上。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種大氣能見度測(cè)量系統(tǒng)，包括光學(xué)錐體反射器(1)和大氣能見度測(cè)量?jī)x，大氣能見度測(cè)量?jī)x包括大物鏡(2)、測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)和目鏡(4)，目鏡(4)處于大物鏡(2)的焦點(diǎn)的后方，測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)置于大物鏡(2)和目鏡(4)之間，測(cè)量望遠(yuǎn)分光鏡(3)的內(nèi)部反射面是鍍有半透半反膜的膠合面，所述光學(xué)錐體反射器(1)布置遠(yuǎn)離所述大氣能見度測(cè)量?jī)x。通過應(yīng)用本系統(tǒng)，可以測(cè)量光能在大氣中的衰減程度，確定每米光能衰減的程度，從而得到光能在多少距離衰減到人眼無法分辨的程度，實(shí)現(xiàn)能見度的精確測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/59GK201607404SQ20102004700
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者張德林, 王長(zhǎng)春 申請(qǐng)人:北京賽凡光電儀器有限公司