一種基于掃描方式的透射儀測量光路自動準直系統與方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種透射儀光學對準方法，尤其是基于掃描方式的透射儀測量光路自 動準直系統與方法。
【背景技術】
[0002] 能見度是氣象觀測的重要要素之一，用于了解大氣穩定性，判定氣團性質。能見度 根據目標物之間的亮度對比或目標物能否被看見，用一個距離上的概念描述大氣的可見 度，它的準確監測對于氣象、交通、民航和農業生產都有著重要的指導意義。目前世界上普 遍使用的能見度儀有透射式能見度儀，散射式能見度儀和激光雷達能見度儀。透射式能見 度儀又稱透射計或透射表，分為雙端式和單端式，通過測量大氣透過率來獲取能見度值。雙 端式透射儀在工作時，用光發射器照射被測樣本，接收器測量衰減后的光輻射，通過大氣樣 本透過率來計算能見度值。透射式能見度儀的優點在于不用對大氣作任何假設以探測大氣 透過率或消光系數，其采樣體積大，測量精度高。由于透射儀測量精度高，已廣泛應用于機 場跑道能見度測量，但我國目前還沒有完全自主知識產權的透射儀和相關的標定設備，使 用的大多是芬蘭Visala公司的產品。雖然透射儀精度高，但也有其局限性，當大氣能見度較 大時，其探測結果對光源的標定誤差、透射光的探測誤差和鏡頭的污染非常敏感，并且需要 較長的基線，占地面積大。因此，在雙端式透射儀進行安裝時，都要進行人工初步對準，主要 通過在能見度測量過程中補償由于測量光路準直偏差造成的能見度測量誤差。在儀器進行 能見度測量之前，通過不斷尋找使得接收端能量最大的位置作為測量光路的準直位置。該 過程較為復雜，時間較長。然而在沒有配套的標定設備情況下，只能依賴間隔一段時間后再 次進行人工對準，其結果是導致在下次未人工對準時，由于外界環境變化以及儀器振動等 引起的光路收發不一致進而導致探測精度下降。
【發明內容】
[0003] 針對上述技術問題，本發明的目的是，改進透射儀測量光路準直方法，提供一種準 直過程自動化、準直精度高、準直時間短、易于在透射儀測量系統中應用的透射儀測量光路 準直系統與方法。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案：一種基于掃描方式的透射儀測 量光路自動準直系統，其特征在于，包括發射單元、光源控制單元、電機驅動一單元、電機驅 動二單元、位置信息采集一單元、位置信息采集二單元、中央處理器一單元、接收單元、光強 信息采集單元、電機驅動三單元、電機驅動四單元、位置信息采集三單元、位置信息采集四 單元、中央處理器二單元和控制中央處理器一、二單元的主控單元；所述的發射單元包括 LED光源和發射光學模塊，為透射儀進行能見度測量和測量光路準直提供探測光束;所述的 光源控制單元用來驅動發射單元中的LED光源，保證光源發光穩定性;所述的電機驅動一單 元用來驅動發射單元進行水平方向的位置調整;所述的電機驅動二單元用來驅動發射單元 進行垂直方向的位置調整;所述的位置信息采集一單元用來采集發射單元進行水平位置調 整時的位置信息;所述的位置信息采集二單元用來采集發射單元進行垂直位置調整時的位 置信息;所述的接收單元包括光電傳感器模塊和接收光學模塊，用來將探測光束中經過一 定基線長度大氣傳輸后能被接收單元接收的部分光束進行光電轉換;所述光強信息采集單 元用來采集接收單元接收到的光強信息;所述的電機驅動三單元用來驅動接收單元進行水 平方向的位置調整;所述的電機驅動四單元用來驅動接收單元進行垂直方向的位置調整； 所述的位置信息采集三單元用來采集接收單元水平位置調整過程中的位置信息;所述的位 置信息采集四單元用來采集接收單元垂直方向位置調整過程中位置信息;所述的中央處理 器一單元用來存儲發射單元位置信息，中央處理器一單元同時向中央處理器二單元發送采 集光強信息命令、中央處理器二單元存儲采集到的光強信息并傳送，中央處理器一單元再 根據采集到的光強信息和位置信息計算得到發射單元的準直位置;所述的中央處理器二單 元用來存儲接收單元位置信息和光強信息，并根據位置信息和光強信息計算接收單元的準 直位置;所述的主控單元用來發送測量光路準直操作命令并控制中央處理器一、二單元并 控制電機驅動一、二、三、四單元；，控制系統工作；
[0005] 進一步，基于掃描方式的透射儀測量光路自動準直的方法，利用發射單元和接收 單元于兩個相互垂直方向分別掃描得到的位置信息與光強信息計算得到發射單元和接收 單元的準直位置，然后使得發射單元與接收單元分別定位到準直位置，從而實現測量光路 的準直;其特征在于，按照順序分別對發射單元與接收單元進行對準:每次進行準直時分別 進行垂直方向和水平方向的掃描、準直位置計算和定位;所述的掃描是通過驅動電機使得 發射單元或接收單元在垂直或水平方向上進行一定角度范圍的位置旋轉，同時記錄位置信 息和掃描過程中的光強信息;所述的準直位置計算是根據掃描過程中采集的位置信息與光 強信息的關系得到發射單元或接收單元在某一方向上的準直位置;所述的定位是通過驅動 電機使得發射單元或接收單元在某一方向上進行旋轉運動到該方向上的準直位置;一般指 接收單元光強信息最強的位置信息。
[0006] 具體步驟如下：
[0007] 步驟001.主控單元啟動透射儀測量光路自動對準程序；
[0008] 步驟002.主控單元發出指令，使中央處理器一單元與中央處理器二單元完成對準 程序的初始化；
[0009] 步驟003.光源控制單元驅動發射單元中的LED光源向接收單元發出探測光束；
[0010] 步驟004.光強信息采集單元采集接收光強信息，將接收光強信息存儲到中央處理 器二單元，并由中央處理器二單元對接收光強信息進行判斷；
[0011] 步驟005.若步驟004采集到的接收光強為0，則向主控單元發出重新進行人工粗調 的提不；
[0012] 步驟006.若步驟004采集到的接收光強不為0，則接收單元進行自動對準，具體包 括下面步驟：
[0013] 步驟0061.接收單元進行水平方向掃描，具體包括下面步驟：
[0014]步驟00611.電機驅動三單元驅動電機反向運轉，位置信息采集三單元開始采集接 收單元水平位置信息，并將位置信息存儲到中央處理器二單元，中央處理器二單元對存儲 的接收單元水平位置信息進行判斷；
[0015]步驟00612.以電機的起始運轉位置為0度，若步驟00611采集到的位置信息不為- 0.2度，回到步驟00611;
[0016]步驟00613.若步驟00611采集到的位置信息值為-0.2度，電機驅動三單元驅動電 機剎車，位置信息采集三單元停止位置信息采集；
[0017] 步驟00614.電機驅動三單元驅動電機正轉，位置信息采集三單元開始采集接收單 元水平位置信息，同時光強信息采集單元開始采集接收光強信息，并將位置信息和光強信 息存儲到中央處理器二單元，中央處理器二單元對存儲的接收單元水平位置信息進行判 斷；
[0018] 步驟00615.若步驟00614采集到的位置信息值不為0.2度，回到步驟00614;
[0019]步驟00616.若步驟00614采集到的位置信息值為0.2度，電機驅動三單元驅動電機 剎車，位置信息采集三單元停止位置信息采集，光強信息采集單元停止光強信息采集；
[0020] 步驟0062.接收單元進行水平方向準直位置計算，計算過程如圖3所示，具體包括 下面步驟：
[0021] 步驟00621.根據存儲在中央處理器二單元中的位置信息與光強信息，由中央處理 器二單元尋找接收光強的最大值W，并篩選出接收光強介于0.6W與0.4W之間的光強信息和 與之對應的位置信息；
[0022] 步驟00622.根據步驟00621篩選的位置信息與光強信息，由中央處理器二單元通 過最小二乘法擬合出兩條接收光強隨位置變化的關系直線L1、L2;
[0023]步驟00623.將接收光強值0.5W分別作為步驟00622得到的兩條擬合直線的接收光 強值，有中央處理器二單元計算出相應的位置XI、X2;
[0024] 步驟00624.根據步驟00623得到的兩個位置X1、X2由中央處理器二單元計算得到 接收單元水平方向準直位置，計算公式為：
[0025]
[0026]步驟0063.接收單元進行水平方向定位，具體包括下面步驟：
[0027]步驟00631.電機驅動三單元驅動電機反轉，位置信息采集三單元開始采集接收單 元水平位置信息，并將位置信息存儲到中央處理器二單元，中央處理器二單元對位置信息 進行判斷；
[0028] 步驟00632.若位置信息的值大于步驟00624得到的準直位置X，回到步驟00631;
[0029]步驟00633.若位置信息的值小于或等于步驟00624得到的準直位置X，電機驅動三 單元驅動電機剎車，位置信息采集三單元停止位置信息采集；
[0030]步驟0064.接收單元進行垂直方向掃描，具體步驟如下：
[0031]步驟00641.電機驅動四單元驅動電機反向運轉，位置信息采集四單元開始采集接 收單元水平位置信息，并將位置信息和光強信息存儲到中央處理器二單元，中央處理器二 單元對存儲的接收單元水平位置信息進行判斷；
[0032]步驟00642.以電機的起始運轉位置為0度，若步驟00641采集到的位置信息不為-0.2度，回到步驟00641;
[0033]步驟00643.若步驟00641采集到的位置信息值為-0.2度，電機驅動四單元驅動電 機剎車，位置信息采集四單元停止位置信息采集；
[0034]步驟00644.電機驅動四單元驅動電機正轉，位置信息采集四單元開始采集接收單 元水平位置信息，同時光強信息采集單元開始采集接收光強信息，并將位置信息存儲到中 央處理器二單元，中央處理器二單元對存儲的接收單元水平位置信息進行判斷；
[0035] 步驟00645.若步驟00644采集到的位置信息值不為0.