基于Si4432散射式大氣低能見度儀的設計方案

這一前提的正確性與大氣粒子的光學特性有關，光線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，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。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系，與散射顆粒的尺寸大小無關。該前提可根據Mie散射理論證明其正確性。

許多學者通過對大量實驗數據進行統計，認為選擇散射角θ 在20°~50°之間時，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 、以及入射光強的關系為線性正比關系：

式(11)中，散射角θ 由儀器發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，能見度值V與散射光強成正比關系，即接收到的散射光強越強，此時能見度越高，反之散射光強越弱，能見度越低。

3.硬件系統設計

3.1 前向散射式紅外光發射和接收裝置的光路與結構設計

低能見度預警檢測儀的發射與接收裝置分置于支架的兩端，成35°夾角，發射光配置成雙光路，用于前向散射和光強穩定參考。發射光源采用940nm波長的紅外LED組，用固定的低頻率方波進行調制發射，經一定體積空氣柱散射進入接收端，接收端選取對該波長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行調理和采集。發射器的參考光路中布置有光電接收器件，通過監測發射裝置參考光路的光強，采用負反饋比較測量法進行穩定校準，補償因溫度變化以及器件老化效應等原因造成的發射光強不穩定的問題，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際上是深埋在噪聲和干擾中的調制過的納安級的交流電流信號需要應用微弱信號檢測技術進行調理轉換為幅度范圍合適的直流電壓信號送給AD進行采樣和數值讀取。

微弱電流首先經過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性而信號與干擾噪聲不相關的原理，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。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現。

3.3 以Cortex-M3架構微處理器為核心的控制系統硬件實現

系統控制和數據處理部分采用基于ARM 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，滿足系統低成本、低功耗、高性能等方面的設計要求。控制系統硬件主要包括微處理器及其支持電路、實時時鐘(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位精度具有自動校準功能的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。數據傳輸主要通過USART和SPI數據總線接口實現。充分利用LPC17xx的定時器，實現數字波形發生器和數字移相器，輸出用于發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生電路及移相電路，可簡化硬件設計和相位調節的調試過程，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

低能見度預警檢測儀的數據輸出支持有線傳輸、短距離無線數傳以及公網數據傳輸多種方式，以應對現場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絡。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電平標準的轉換。短距離RF無線數傳采用Silicon Labs EZRadioPRO系列ISM頻段無線收發一體芯片SI4432,該芯片最新版本為B1版，與微處理使用SPI總線進行數據收發通信，在240-960MHz頻率下輸出功率可達+20dBm,接收靈敏度-117dBm,實現500米范圍內與可變信息牌、路標等現場預警執行設備的可靠數據傳輸。在沒有有線通訊網絡建設的地方，使用GPRS或CDMA公網數據傳輸，將預警情況及時通報給指揮監控中心及相關值班人員。多種方式數據傳輸采用模塊化設計，可根據需要進行相應傳輸模塊的配置和更換，有助于降低設備成本。