能见度仪探测光束平行度检测方法

赵 静，肖韶荣，张仙玲

（南京信息工程大学 物理与光电工程学院，江苏 南京210044）

引言

根据气象学定义，能见度用气象光学视程表示，气象光学视程是指白炽灯发出色温为2 700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度［1］。其对光源的平行度提出了明确要求，能见度仪的探测光束也应符合平行光束的要求。能见度的测量依据来源于Lam-bert-Beer定律I＝I0e-β，表示光波在探测通道上的衰减，β为衰减系数也看作大气消光系数，其物理意义为，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，由于介质吸收了一部分光能，透射光的强度要减弱。探测光束的平行度和均匀性是使用该定律的前提。对于透射式能见度仪当探测光束为平行光束时，变换Lambert-Beer定律得在探测通道内透过率T＝e∫β（z）dz，将积分区域内大气看作均匀介质得平均衰减系数，则该区域能见度V＝，ε＝0.02。依据Allard定律Et＝e-βV的夜间能见度测量，Et是照度阈值，其中在平行光源下大气消光系数β的获取也是能否准确得到能见度的主要因素。目前采用较多的散射式能见度仪［2-3］，要求接收端光电探测器的法线方向与发射器光轴成33°角放置。此要求是为保证接收器接收到的光强为探测光束在33°散射角时的散射光强以便计算散射系数，以散射系数作为大气消光系数，再利用V＝计算能见度，若光源为非平行光，则散射角无法保证处于33°位置，只有光轴处满足散射角要求，其他位置都大于或小于该角度；当探测光源为平行光束时，发散角为33°，才可满足散射式能见度仪的使用需求。无论透射式或散射式能见度仪，其散射系数与衰减系数的正确测量都需要探测光束有较高平行度的保证。为此，必须明确能见度仪探测光束的平行度，即发散角大小。

目前国内外测量光束发散角的主要方法针对激光光源主要有：基于CCD的远场焦斑法、可变光阑法、刀口扫描法［4-6］；针对LED光源主要方法是将光源置于二维转台上高精度旋转按二维坐标测发光强度绘制空间光强分布图，或固定光源通过多角度测量获取探测值［7-9］。这些方法都需要较为复杂的光学系统，或用CCD器件加透镜反复调整，或用可变光阑连续调整，或需各种耦合系统。本文所述方法充分利用光路特性，更为简洁有效。在能见度仪发射器的设计中并没有对光源性质的严格限制，国内外能见度仪的光源有用激光器光源，也有用LED光源，且LED的使用越来越广泛；但都未明确标识光源发散角。本文根据这一现状，设计了能见度发射器探测光束的发散角检测方法，利用该方法测量了紫外LED光源的发散角，并求得相对误差。同时，利用该方法可正确获取探测器对光束视场角的接收值。

1 测量原理分析

测量发散角的基本原理为，用屏接收光源的成像光斑，在固定参数的光学系统中获取光源在不同位置的成像，通过像的几何关系求得发散角。

图1 测量原理光路图Fig.1 Optical path diagram of measuring principle

光源与分光镜从位置1平行于成像系统光轴移到位置2。在位置1处，光斑半径为ra，位置2处光斑半径为rb。位置1处，光源中心点到屏的光程L1＝d＋a-ecos45°＋ne，其中e为分光镜厚度，n为分光镜折射率；位置2处，光源中心点到屏的光程L2＝d＋b-e cos45°＋ne。光源1／2发散角的正切值为

如图2所示，成像系统中焦距、物象间距离固定，垂轴放大率可知，1／2发散角正切值亦可表示为

发散角

式中：r′a和r′b为光斑成像半径，可通过图像处理方式取得；b-a为光源移动的距离。

图2 发散角示意图Fig.2 Schematic of divergence angle

2 测量系统设计

2.1 测量系统硬件结构

测量系统包括固定参数的光学成像系统和光源与屏的直线移动系统。系统结构如图3所示。光学成像系统选用canon650D单反相机，相机与屏位置固定并调整好焦距保持不变，屏垂直于光轴。直线系统平行于光轴，滑台滑块上有M6大小的固定孔位，配合接杆与干板架放置分光镜和光源，在对能见度仪探测光束的实际检测中只需将光源器件取出置于本系统中，分光镜与光轴位置如图1所示。步进电机驱动滑台上的滑块运动使光源和分光镜整体作平行于光轴的直线运动。直线导轨的有效行程为600mm，有效定位精度0.04mm，重复定位精度0.01mm；以57步进电机及驱动器加以驱动，驱动信号由控制电路产生。控制电路时序如图4所示，驱动器可响应0～100kHz的脉冲信号，该信号通过上位机波特率设置产生。

2.2 软件功能

系统软件主要完成分光镜和光源在滑台上的整体运动控制，实现速度控制、方向控制、手动调节与行程自动控制。在手动调节滑块移动过程中及时记录起始与运行结束点的位置与时间；行程自动控制运行时，从起始点每运行5cm记录1次位置与时间。流程如图5所示。

整个装置的运行，一方面是直线系统的受控运行；另一方面是数码相机的成像动作。成像动作可以在直线系统手动调节成像位置的时候同步拍摄；也可以利用摄像功能在直线系统自动运行的过程中始终处于摄像状态，利用时间点提取有用成像。

2.3 测量过程

系统测量的主要过程为在焦距固定的情况下通过控制步进电机移动光源和分光镜，得到在不同位置的成像，测量过程在暗室中进行。步骤如下：

1）固定好数码相机和屏的位置，屏垂直于数码相机光轴，两者间距离大于滑台长度，滑台平行于光轴放置；

2）光源和分光镜作为整体固定在滑台的滑块上，作整体运动；

3）调整分光镜位于数码相机光轴上且与光轴成45°夹角；

4）在离屏最远处使光源垂直于数码相机光轴，经分光镜成90°角在屏上形成光斑；

5）调整数码相机焦距使光斑成像清晰，调整曝光度使成像不饱和，以后不再调整；

6）运行控制系统软件，通过PC机驱动控制器电路调整光源位置，使光源可处于滑台有效行程上的不同位置，保存运行轨迹，同时在不同位置上拍照，记录图片与位置。

3 测量结果与误差分析

3.1 测量结果

选取相距15cm的2幅光斑图像，一幅为近斑，一幅为远斑。利用Matlab求得2幅图像平面辐照度分布和三维空间内归一化辐照度分布如图6所示。

图6 辐照度分布Fig.6 Irradiance distribution

空间辐照度归一化图表明：远斑亮度整体低于近斑，提取图像平面辐照度分布图中的等高线作为边缘求光斑半径，由于光斑成像并非正圆形，将其分解成横向、纵向分别处理；设横向半径为RX，纵向半径为RY；以RX为例，求得像素点半径的步骤为：

1）读取近斑图像，滤波，取蓝色分量做灰度图；

2）计算图像最大值点，并取出该行数据；

3）根据等高线数值将该行数据背景值去除；

4）用零值以上像素点坐标计算像素点半径r′a；

5）读取远斑图像按1）～4）步骤求得远斑像素点半径r′b。

利用（3）式求得发散角。经计算，该光源的横向发散角为7.8°，纵向发散角为6.9°。

3.2 误差分析

测量系统中β＝1.3piexl／mm，b-a＝150 mm，直线系统的定位误差仅0.04mm，相对于150 mm可忽略不计。对（2）式取偏导得发散角相对误差

式中：Δr′b和 Δr′a取10个像素点，r′b和r′a为所求光斑像素点半径；在小角度上θ≈tanθ，计算得发散角横向相对误差δX＝0.057°；纵向相对误差δY＝0.051°。

4 平行度在散射式能见度仪中的应用

在能见度测量中，根据Koschmieder定律［11］能见度，σ为消光系数；当使用波长为λ的单色光作为探测光时，改写为

式中：λ为定值；q取常数［12］。在散射式能见度仪的设计中，33°角附近的角散射系数β（θ）与消光系数近似成线性关系，对于相同的测量环境，有σ＝mβ（θ），其中m 为系数

当被测光束为非平行光时，其待测区域的视场角范围如图7所示，是夹角与发散角的几何关系，若不加入光束平行度，探测器有效面为3.6mm×3.6mm，透镜焦距为2mm，则视场角接近，设未加入平行度时β（θ）＝β1，V＝V1；加入平行度参数后β（θ）＝β2，V＝V2。经计算；加入平行度参数后的能见度值比未加入时提高近1倍。可见，在散射式能见度仪中发射器光源的平行度直接影响到能见度值测算。若不考虑平行度，会导致测得能见度值比真实能见度值偏低。

图7 非平行探测光束示意图Fig.7 Schematic of non-parallel probe beam

5 结论

对能见度仪的探测光束作平行度检测，根据成像特性设计了检测方法及测量系统。待测光束置于定焦光学系统中，通过直线系统运动获取光源在不同位置的光斑，根据测量系统参数和光斑特性推导了光源发散角。实验中以紫外LED光源作为探测光束测得平面光斑近似椭圆，其水平发散角为 7.8°，垂直发散角为 6.9°，误差分别为0.057°和0.051°；平面各方向上发散角大小有差异。该方法不改变设备的原有结构，空间占用小，系统控制自动化，高效完成了发散角的测量且误差小。将该方法所得的发散角用于散射式能见度仪，经比较得到加入光束平行度的能见度值较未加入时提高近1倍，大大改善了现有设备测得能见度值比真实值偏低的现象。

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