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一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法技术方案

技术编号:20093279 阅读:27 留言:0更新日期:2019-01-15 12:39
本发明专利技术公开了一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法,测量系统包括电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和上位机,其中,电源模块用于模拟电路模块和数字电路模块的供电,模拟电路模块用于将光信号转换为可靠的电信号,数字电路模块用于连接模拟电路模块和上位机,并控制调节环境温度和湿度;上位机用于对数据进行处理和存储。本发明专利技术电路结构简单,便携性好,即插即用,测量精度高,可以实时显示并处理数据,并可直接按时间提取处理数据。

A Synchronized Measurement System and Method for Atmospheric Visibility and Turbulence

The invention discloses a synchronous measurement system for atmospheric visibility and turbulence and a measurement method. The measurement system includes power supply module, analog circuit module, digital circuit module and upper computer. The power supply module is used for power supply of analog circuit module and digital circuit module, analog circuit module is used for converting optical signal into reliable electrical signal, and digital circuit module is used for connecting module. The quasi-circuit module and the upper computer control and adjust the ambient temperature and humidity; the upper computer is used for data processing and storage. The circuit of the invention has simple structure, good portability, plug and play, high measurement accuracy, real-time display and processing data, and can directly extract and process data according to time.

【技术实现步骤摘要】
一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法
本专利技术涉及能见度与湍流的测量系统及方法,具体的涉及一种大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法。
技术介绍
能见度与湍流是大气研究中的两个重要参数,是空气质量预报、气候环境模式和边界层研究中重要的气象因子。能见度反映大气的浑浊程度,对近地面污染程度有重要参考价值。大气能见度与大气透明度有关,它反映了大气消光或衰减特性,直接关系到气溶胶的负荷。大气能见度表征了大气污染的严重程度,是大气环境预测和污染监测中的一个重要气象参数。大气湍流是大气中运动的重要形式之一,其强度由大气折射率结构常数定量描述。大气湍流是目前尚未解决的世纪问题,许多科学家们都致力于大气湍流的研究,特别是光在湍流大气中传播的问题是大气光学中最困难的部分之一。测量大气能见度的仪器主要分为前向散射式能见度仪和透射式能见度仪。前向散射式能见度仪具有安装方便、结构紧凑、体积小、成本低的优点,但是其测量原理导致其测量误差较大。透射式能见度仪直接探测大气的透过率,测量精度比较高,但是并未考虑到大气流场的影响,容易造成测量偏差。造成这种偏差的主要原因是气溶胶粒子与湍流气团之间的相互阻力,从而影响了传输测量。因而一个可以同时测量能见度与湍流的系统非常重要。仅仅是单独的能见度仪或者闪烁仪成本都非常高,其成本都非常高。成本无非是发射端与接收端的光路设计,还有接收端的传感器,电路,采集模块。其中为了保证测量精度,传感器与采集这块花费了很大的成本。
技术实现思路
专利技术目的:为解决现有技术的不足,提供一种测量精度高且成本低的大气能见度与湍流同步测量系统及测量方法。技术方案:为实现上述专利技术目的,本专利技术采用以下技术方案:一种大气能见度与湍流同步测量系统,包括:电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和上位机,其中,电源模块用于模拟电路模块和数字电路模块的供电,模拟电路模块用于将光信号转换为可靠的电信号,数字电路模块用于连接模拟电路模块和上位机,并控制调节环境温度和湿度;上位机用于对数据进行处理和存储。优选的,所述模拟电路模块包括光电变换电路、I/V转换电路、电压放大电路、滤波电路和电压跟随器,光电变换电路将接收到的入射光转换为电流信号输出给I/V转换电路,I/V转换电路将接收到的电流信号转换为电压信号,然后经过电压放大电路后输出放大信号至滤波电路,经过滤波后的电压信号输入至电压跟随器,然后输出至数字电路模块。优选的,所述数字电路模块包括单片机、温度湿度感应模块和USB接口模块,其中单片机内置A/D转换模块,模拟电路模块输入的模拟电压信号经过该A/D转换模块后转换为单片机可以处理的数字信号,另一方面,温度湿度感应模块将采集到的大气温度湿度信息传递给单片机,单片机对接收到的电信号和温度湿度信号进行处理后,通过USB接口模块输出信号至上位机;同时,单片机将上位机的指令反馈给温度湿度感应模块,反过来调节测量仪器内的环境温度与环境湿度。优选的,所述上位机包括数据处理模块、存储模块、显示模块和历史数据处理模块,其中显示模块包括能见度显示、消光系数显示和显示,上位机接收到数字电路模块发送来的数字信号后,经过数据处理模块的处理后一方面储存至存储模块,另一方面通过显示模块进行能见度、消光系数和的显示;历史数据处理模块根据需要直接按时间提取存储模块中的数据并进行数据处理。本专利技术另一实施例中,一种采用上述大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法,包括以下步骤:(1)模拟电路模块接收光信号,并对其进行处理,最终转换为电压信号;(2)数字电路模块对模拟电路模块输出的电压信号以及采集的温度湿度信号进行处理及控制,并输出数字信号给上位机;(3)上位机对接收到的数字信号进行处理并存储和显示。进一步的,所述步骤(1)中光信号通过光电二极管转换为电流信号,然后经过I/V变换,转换成电压信号,再经过放大滤波电压跟随之后进入单片机的A/D转换模块;其中:光信号通过光电二极管变成电流信号,通过I/V模块,得到电压U1=I*R1;经过放大模块得到电压U2=(1+R3/R2)U1;然后经过GIC带通滤波器,电路中通带放大倍数H0,中心频率ω0,品质因数Q0,分别由以下三个公式给出:其中,R7=R8,R5=R6,C2=C3;故公式简化为:H0=2,进一步的,所述步骤(2)中模拟电压经过单片机内置A/D变成数字信号,温度湿度感应模块是I2C接口,输出温度湿度信号,单片机将这些信号传入上位机;单片机处理时关闭看门狗,初始化时钟,初始化串口,初始化I2C,开启定时器;开启中断,然后一直扫描缓冲区,将缓冲区的数据按顺序传到上位机;中断函数有两个,一个定时中断,一个串口中断,定时中断是一分钟中断一次,中断函数里就是读取I2C的温度湿度数据并将标志位flag置位true,表示温度湿度数据已经更新,也就是说每分钟更新一次温度与湿度;在串口中断里,首先像PC端发送确认,等待PC端确认,如果等待超时,则继续发送确认;如果等到了PC端的确认,则开始检测标志位,如果标志位是true,代表温度湿度数据已经更新,放入缓冲区,并将标志位置成false,表示数据已经被读取;如果标志位是false,表示温度湿度数据没有更新,则将A/D的数据放入缓冲区。进一步的,所述步骤(3)中:上位机初始化后,开始进行参数配置,然后开始检测串口,检测到串口后,开始检测串口是否收到单片机发来的确认指令,如果没检测到,则继续检测,如果检测到了,则开始像单片机发送一个确认指令,然后开始等待接收数据,如果等待超时,则再次像单片机发送确认指令;如果有数据过来,则需要判断是温度湿度数据,如果是温度湿度数据,则直接读取,显示在屏幕,并存入数据库;如果不是,则分别调用算能见度,消光系数的函数,算出相应的能见度,消光系数,在屏幕上画出曲线,并存入数据库。更进一步的,所述能见度、大气结构常数和消光系数的计算为:能见度:根据布格-朗伯(Bouguer-Lambert)定律,平行光在大气中的衰减与距离跟消光系数呈负相关,公式为:F=F0e-σL(4);其中,σ为消光系数,L为基线长度,F0为L=0时的光通量;如果用MOR表示气象光学视程,即光通量衰减至5%所经过的距离,则:又因为光强I是指点光源在给定方向上单位立体角内发出的光通量,所以:F/F0=I/I0(6);光电变换中电信号U与入射光信号I成正比,故:I/I0=U/U0(7);由上面公式不难看出,只要求得了原始电压U0,与消光过后的电压U,就可以求出能见度:消光系数:大气折射率结构常数计算:由光传输理论可得,波长为λ的球面波经过大气湍流进行传播,光强为I,在传播距离L处,直径为D的孔径内接受的对数光强起伏方差为:其中,k为光波数,且k=2π/λ;γ=z/L为球面波的传播因子;κ为空间波数;F(κ)是孔径滤波函数,对于内外径之比为ε的圆环接收孔径,F(κ)为:Φn(κ)表示折射率起伏的空间谱密度,可表示为:其中,即为大气折射率结构常数,f(κl0)为描述内尺度效应的因子;在已知的弱起伏条件下,对数光强起伏方差等于闪烁指数:将(11)、(12)、(13)代入(10)可得:的计算公式为:由上面的的计算公式可知,k、L、D都是常量,所以主要是求而由定义式:可知与光强的波动方差有关,而光强正比于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大气能见度与湍流同步测量系统,其特征在于,包括:电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和上位机,其中,电源模块用于模拟电路模块和数字电路模块的供电,模拟电路模块用于将光信号转换为可靠的电信号,数字电路模块用于连接模拟电路模块和上位机,并控制调节环境温度和湿度;上位机用于对数据进行处理和存储。

【技术特征摘要】
1.一种大气能见度与湍流同步测量系统,其特征在于,包括:电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和上位机,其中,电源模块用于模拟电路模块和数字电路模块的供电,模拟电路模块用于将光信号转换为可靠的电信号,数字电路模块用于连接模拟电路模块和上位机,并控制调节环境温度和湿度;上位机用于对数据进行处理和存储。2.根据权利要求1所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统,其特征在于:所述模拟电路模块包括光电变换电路、I/V转换电路、电压放大电路、滤波电路和电压跟随器,光电变换电路将接收到的入射光转换为电流信号输出给I/V转换电路,I/V转换电路将接收到的电流信号转换为电压信号,然后经过电压放大电路后输出放大信号至滤波电路,经过滤波后的电压信号输入至电压跟随器,然后输出至数字电路模块。3.根据权利要求1所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统,其特征在于:所述数字电路模块包括单片机、温度湿度感应模块和USB接口模块,其中单片机内置A/D转换模块,模拟电路模块输入的模拟电压信号经过该A/D转换模块后转换为单片机可以处理的数字信号,另一方面,温度湿度感应模块将采集到的大气温度湿度信息传递给单片机,单片机对接收到的电信号和温度湿度信号进行处理后,通过USB接口模块输出信号至上位机;同时,单片机将上位机的指令反馈给温度湿度感应模块,反过来调节测量仪器内的环境温度与环境湿度。4.根据权利要求1所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统,其特征在于:所述上位机包括数据处理模块、存储模块、显示模块和历史数据处理模块,其中显示模块包括能见度显示、消光系数显示和显示,上位机接收到数字电路模块发送来的数字信号后,经过数据处理模块的处理后一方面储存至存储模块,另一方面通过显示模块进行能见度、消光系数和的显示;历史数据处理模块根据需要直接按时间提取存储模块中的数据并进行数据处理。5.一种采用权利要求1-4任一项所述大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)模拟电路模块接收光信号,并对其进行处理,最终转换为电压信号;(2)数字电路模块对模拟电路模块输出的电压信号以及采集的温度湿度信号进行处理及控制,并输出数字信号给上位机;(3)上位机对接收到的数字信号进行处理并存储和显示。6.根据权利要求5所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法,其特征在于,所述步骤(1)中光信号通过光电二极管转换为电流信号,然后经过I/V变换,转换成电压信号,再经过放大滤波电压跟随之后进入单片机的A/D转换模块;其中:光信号通过光电二极管变成电流信号,通过I/V模块,得到电压U1=I*R1;经过放大模块得到电压U2=(1+R3/R2)U1;然后经过GIC带通滤波器,电路中通带放大倍数H0,中心频率ω0,品质因数Q0,分别由以下三个公式给出:其中,R7=R8,R5=R6,C2=C3;故公式简化为:H0=2,7.根据权利要求5所述的一种大气能见度与湍流同步测量系统的测量方法,其特征在于,所述步骤(2)中模拟电压经过单片机内置A/D变成数字信号,温度湿度感应模块是I2C接口,输出温度湿度信号,单片机将这些信号传入上位机;单片机处理时...

【专利技术属性】
技术研发人员:韩永张通晓庄建军黄骄龙
申请(专利权)人:南京大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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