基于Si4432散射式大氣低能見(jiàn)度儀的設計方案

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

(3)通常情況下，選擇適當的角度，散射儀測量的散射光強與散射系數成正比例關(guān)系，與散射顆粒的尺寸大小無(wú)關(guān)。該前提可根據Mie散射理論證明其正確性。

許多學(xué)者通過(guò)對大量實(shí)驗數據進(jìn)行統計，認為選擇散射角θ 在20°~50°之間時(shí)，散射相函數P(θ )對氣溶膠譜分布的變化不敏感，基本為常數，而且散射光更強。根據Mie散射理論，此時(shí)散射光強度I (θ )與散射相函數P(θ )、散射系數 S σ 、以及入射光強的關(guān)系為線(xiàn)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0 I 取決于光源與透鏡的參數，由儀器的具體光學(xué)設計確定，為定值;根據前提三可知散射相函數P(θ )為常數。由此可見(jiàn)，能見(jiàn)度值V與散射光強成正比關(guān)系，即接收到的散射光強越強，此時(shí)能見(jiàn)度越高，反之散射光強越弱，能見(jiàn)度越低。

3.硬件系統設計

3.1 前向散射式紅外光發(fā)射和接收裝置的光路與結構設計

低能見(jiàn)度預警檢測儀的發(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穩定參考。發(fā)射光源采用940nm波長(cháng)的紅外LED組，用固定的低頻率方波進(jìn)行調制發(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(cháng)響應良好的光電接收傳感器，將接收到的散射光轉換為電信號后進(jìn)行調理和采集。發(fā)射器的參考光路中布置有光電接收器件，通過(guò)監測發(fā)射裝置參考光路的光強，采用負反饋比較測量法進(jìn)行穩定校準，補償因溫度變化以及器件老化效應等原因造成的發(fā)射光強不穩定的問(wèn)題，減小系統測量誤差。

3.2 基于微弱信號檢測的散射光接收信號調理電路設計

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

微弱電流首先經(jīng)過(guò)高輸入阻抗的跨導前置放大，得到的是信噪比較低的交流電壓小信號，通過(guò)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成。信號經(jīng)過(guò)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。信號調理電路的設計中還需要考慮屏蔽、抗干擾措施以及低噪聲雙電源供電的實(shí)現。

3.3 以Cortex-M3架構微處理器為核心的控制系統硬件實(shí)現

系統控制和數據處理部分采用基于A(yíng)RM Cotex-M3內核架構的LPC17xx系列微處理器為核心的硬件平臺。LPC17xx系列具有較高的運行速度和豐富的外設接口，滿(mǎn)足系統低成本、低功耗、高性能等方面的設計要求?？刂葡到y硬件主要包括微處理器及其支持電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、SD卡本地數據存儲電路、數據傳輸接口電路、AD采樣電路、溫度監測電路等。

AD采樣使用16位精度具有自動(dòng)校準功能的AD7705芯片，使用SPI總線(xiàn)與處理器連接。溫度傳感器芯片選用LM75,使用IIC總線(xiàn)連接到處理器。數據傳輸主要通過(guò)USART和SPI數據總線(xiàn)接口實(shí)現。充分利用LPC17xx的定時(shí)器，實(shí)現數字波形發(fā)生器和數字移相器，輸出用于發(fā)射光源調制的低頻方波信號，以及用于鎖相放大器相敏檢波的移相參考波形，采用負反饋比較測量法自動(dòng)確定所需調節的相位，以替代傳統的模擬電路搭建的方波發(fā)生電路及移相電路，可簡(jiǎn)化硬件設計和相位調節的調試過(guò)程，有利于提高穩定性?？驁D如圖1所示。

3.4 多種傳輸方式的預警數據輸出方案設計

低能見(jiàn)度預警檢測儀的數據輸出支持有線(xiàn)傳輸、短距離無(wú)線(xiàn)數傳以及公網(wǎng)數據傳輸多種方式，以應對現場(chǎng)復雜的安裝條件以及多樣的應用需求，靈活方便地接入到預警監測網(wǎng)絡(luò )。有線(xiàn)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電平標準的轉換。短距離RF無(wú)線(xiàn)數傳采用Silicon Labs EZRadioPRO系列ISM頻段無(wú)線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行數據收發(fā)通信，在240-960MHz頻率下輸出功率可達+20dBm,接收靈敏度-117dBm,實(shí)現500米范圍內與可變信息牌、路標等現場(chǎng)預警執行設備的可靠數據傳輸。在沒(méi)有有線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )建設的地方，使用GPRS或CDMA公網(wǎng)數據傳輸，將預警情況及時(shí)通報給指揮監控中心及相關(guān)值班人員。多種方式數據傳輸采用模塊化設計，可根據需要進(jìn)行相應傳輸模塊的配置和更換，有助于降低設備成本。