基于Si4432散射式大气低能见度仪的设计方案

这一前提的正确性与大气粒子的光学特性有关，光线在大气传播的消光效应主要由吸收和散射引起，大气溶胶主要由水滴构成时，对光线的吸收作用主要取决于光线的传播距离，若长度足够小，则吸收作用便微弱到可以忽略不计。由于前向散射方式不需要长的光线传输距离，所以测得的散射系数就可以认为是消光系数。

(3)通常情况下，选择适当的角度，散射仪测量的散射光强与散射系数成正比例关系，与散射颗粒的尺寸大小无关。该前提可根据Mie散射理论证明其正确性。

许多学者通过对大量实验数据进行统计，认为选择散射角θ 在20°~50°之间时，散射相函数P(θ )对气溶胶谱分布的变化不敏感，基本为常数，而且散射光更强。根据Mie散射理论，此时散射光强度I (θ )与散射相函数P(θ )、散射系数 S σ 、以及入射光强的关系为线性正比关系：

式(11)中，散射角θ 由仪器发射器与接收器的摆放角度决定;入射光强0 I 取决于光源与透镜的参数，由仪器的具体光学设计确定，为定值;根据前提三可知散射相函数P(θ )为常数。由此可见，能见度值V与散射光强成正比关系，即接收到的散射光强越强，此时能见度越高，反之散射光强越弱，能见度越低。

3.硬件系统设计

3.1 前向散射式红外光发射和接收装置的光路与结构设计

低能见度预警检测仪的发射与接收装置分置于支架的两端，成35°夹角，发射光配置成双光路，用于前向散射和光强稳定参考。发射光源采用940nm波长的红外LED组，用固定的低频率方波进行调制发射，经一定体积空气柱散射进入接收端，接收端选取对该波长响应良好的光电接收传感器，将接收到的散射光转换为电信号后进行调理和采集。发射器的参考光路中布置有光电接收器件，通过监测发射装置参考光路的光强，采用负反馈比较测量法进行稳定校准，补偿因温度变化以及器件老化效应等原因造成的发射光强不稳定的问题，减小系统测量误差。

3.2 基于微弱信号检测的散射光接收信号调理电路设计

接收到的散射光转换而成的电信号实际上是深埋在噪声和干扰中的调制过的纳安级的交流电流信号需要应用微弱信号检测技术进行调理转换为幅度范围合适的直流电压信号送给AD进行采样和数值读取。

微弱电流首先经过高输入阻抗的跨导前置放大，得到的是信噪比较低的交流电压小信号，通过多阶低噪声高通、低通滤波器组成的带通滤波器组，滤除50Hz工频干扰并抑制高频率干扰噪声，进行交流放大后送给锁相放大器。锁相放大器是各种微弱信号检测技术中应用广泛、行之有效的检测手段之一，利用信号具有自相关性而信号与干扰噪声不相关的原理，从背景噪声中提取有用信号，主要由相位敏感检波器和低通滤波器构成。信号经过低通滤波得到的直流电压的幅度即代表需检测的接收散射光强。信号调理电路的设计中还需要考虑屏蔽、抗干扰措施以及低噪声双电源供电的实现。

3.3 以Cortex-M3架构微处理器为核心的控制系统硬件实现

系统控制和数据处理部分采用基于ARM Cotex-M3内核架构的LPC17xx系列微处理器为核心的硬件平台。LPC17xx系列具有较高的运行速度和丰富的外设接口，满足系统低成本、低功耗、高性能等方面的设计要求。控制系统硬件主要包括微处理器及其支持电路、实时时钟(RTC)、SD卡本地数据存储电路、数据传输接口电路、AD采样电路、温度监测电路等。

AD采样使用16位精度具有自动校准功能的AD7705芯片，使用SPI总线与处理器连接。温度传感器芯片选用LM75,使用IIC总线连接到处理器。数据传输主要通过USART和SPI数据总线接口实现。充分利用LPC17xx的定时器，实现数字波形发生器和数字移相器，输出用于发射光源调制的低频方波信号，以及用于锁相放大器相敏检波的移相参考波形，采用负反馈比较测量法自动确定所需调节的相位，以替代传统的模拟电路搭建的方波发生电路及移相电路，可简化硬件设计和相位调节的调试过程，有利于提高稳定性。框图如图1所示。

3.4 多种传输方式的预警数据输出方案设计

低能见度预警检测仪的数据输出支持有线传输、短距离无线数传以及公网数据传输多种方式，以应对现场复杂的安装条件以及多样的应用需求，灵活方便地接入到预警监测网络。有线传输使用MAX232和MAX13082接口芯片，与微处理器UART连接，完成TTL电平到RS232和RS485电平标准的转换。短距离RF无线数传采用Silicon Labs EZRadioPRO系列ISM频段无线收发一体芯片SI4432,该芯片最新版本为B1版，与微处理使用SPI总线进行数据收发通信，在240-960MHz频率下输出功率可达+20dBm,接收灵敏度-117dBm,实现500米范围内与可变信息牌、路标等现场预警执行设备的可靠数据传输。在没有有线通讯网络建设的地方，使用GPRS或CDMA公网数据传输，将预警情况及时通报给指挥监控中心及相关值班人员。多种方式数据传输采用模块化设计，可根据需要进行相应传输模块的配置和更换，有助于降低设备成本。