馬忠良1，周樹道1,2，劉星3

　?。?.解放軍理工大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 210044； 2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044； 3.解放軍海洋環(huán)境專項辦公室，北京 100081）

      摘要：提出了一種基于光束掃描的透射儀測量光路準直方法，分析了該準直方法的原理?；谠摲椒ㄔO(shè)計了測量光路自動準直系統(tǒng)，該系統(tǒng)以LPC1768微控制器為核心，主要包括光強及位置信息采集模塊、電機驅(qū)動模塊，并進行了該系統(tǒng)的軟件設(shè)計。系統(tǒng)利用透射儀測量光路進行對準，易于實現(xiàn)與透射儀測量系統(tǒng)的融合，且具有高精度、自動化的特點。

　　關(guān)鍵詞：自動準直系統(tǒng)；光束掃描；透射儀

0引言

　　能見度是表征大氣對視覺影響的物理量［1］ ，也是氣象觀測中的一個要素［23］，對能見度的測量通常采用能見度儀。透射式能見度儀（簡稱透射儀）不對大氣作均勻假設(shè)，直接探測大氣透過率和消光系數(shù)［4］，測量精度比較高，更加適合于低能見度條件下使用，目前廣泛應(yīng)用于機場跑道等大氣水平能見度測量場合。世界氣象組織（WMO）開展的能見度儀器比對也是以透射儀為比對標準［5］。透射儀收發(fā)兩端距離較遠（>50 m），使得透射儀測量光路對準困難。同時，儀器在風(fēng)力、熱應(yīng)力的作用下，收發(fā)兩端位置會發(fā)生偏移，從而影響測量光路準直性。因此，在透射儀探測技術(shù)中，測量光路準直是影響透射儀測量精度的關(guān)鍵技術(shù)［6］。

　　本文介紹了一種基于掃描方式的透射儀測量光路自動準直系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高精度、自動化等特點，易于與透射儀測量系統(tǒng)結(jié)合。基于LPC1768微控制器設(shè)計了自動準直系統(tǒng)的硬件電路，并介紹了該系統(tǒng)的軟件工作流程，通過多次對準提高了準直系統(tǒng)的對準精度。

1基于光束掃描方式的透射儀測量光路準直原理

　　圖1透射儀測量光路準直模型透射儀測量系統(tǒng)由發(fā)射器與接收器組成，透射儀測量光路的準直就是使得發(fā)射器A發(fā)出的探測光束中心線與接收器B的接收視場中心線重合。這就要求發(fā)射器和接收器均處在對準的位置。發(fā)射器或接收器的準直狀態(tài)可通過兩個垂直方向的準直方位角描述，如圖1中α、β所示。當α、β均為0 deg時，表示發(fā)射器A對準。同理可得接收器B準直方位角。

　　基于光束掃描方式的透射儀測量光路準直方法準直原理是使發(fā)射器（或接收器）進行兩個垂直方向的掃描運動，測量掃描運動過程中發(fā)射器（或接收器）的角度和接收光強。由于各方向準直方位角為光強隨角度變化曲線的對稱中心，因此，根據(jù)接收光強隨角度變化的關(guān)系得到測量光路準直時發(fā)射器（或接收器）的準直方位角。完成測量及數(shù)據(jù)處理以后，驅(qū)動發(fā)射器（或接收器）運動使得各方位角為0 deg，從而實現(xiàn)測量光路的對準。

2總體方案設(shè)計

　　透射儀的自動準直系統(tǒng)是透射儀測量系統(tǒng)的輔助測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)及硬件、軟件設(shè)計均是在透射儀測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的。準直系統(tǒng)工作時需要完成光源控制、接收光強測量、方位角測量、數(shù)據(jù)存儲與處理以及驅(qū)動掃描和定位等功能?；趻呙璺绞降耐干鋬x測量光路準直系統(tǒng)是利用透射儀本身測量光路進行對準，基于透射儀測量系統(tǒng)設(shè)計的自動準直系統(tǒng)。在透射儀測量系統(tǒng)中，已經(jīng)實現(xiàn)了對測量光源的控制及接收光強的測量，因此，自動準直系統(tǒng)主要完成對位置信息的測量及控制發(fā)射器及接收器的位置。準直系統(tǒng)在透射儀測量系統(tǒng)微控制器的控制下進行工作，并在微控制器中完成數(shù)據(jù)存儲與處理。準直系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。　

　　透射儀測量系統(tǒng)的主控制器為LPC1768，相比于其他控制器，基于ARM CotexM3內(nèi)核的LPC1 768微控制器具有32位運算能力，且包含高達512 KB的Flash存儲器、64 KB的數(shù)據(jù)存儲器，具有豐富的外部接口，功能強大、使用靈活、成本合理。準直系統(tǒng)的位置信息采集模塊和電機驅(qū)動模塊通過I2C接口與微控制器相連，通過I2C總線傳輸控制命令和數(shù)據(jù)。

　　如圖2所示，位置信息采集模塊主要進行方位角的測量，在掃描及定位的過程中均需要進行方位角的測量。測量過程主要是將電位器采集的角度模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并發(fā)送至主控制器。電機驅(qū)動模塊主要驅(qū)動發(fā)射器或接收器進行兩個垂直方向的掃描運動并最終將發(fā)射器或接收器定位到準直位置。電機驅(qū)動模塊主要是根據(jù)主控器輸出的控制命令產(chǎn)生電機控制電壓信號，驅(qū)動電機進行相應(yīng)的運轉(zhuǎn)。

3硬件設(shè)計

　　3.1位置信息采集模塊

　　位置信息采集模塊硬件電路如圖3所示。模塊采集的位置信息為電機旋轉(zhuǎn)的角度，傳感器采用角度傳感器。兩個垂直方向分別為水平方向和垂直方向。模塊中采用ADS1015芯片進行位置信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。該芯片為12位多路轉(zhuǎn)換芯片，可實現(xiàn)兩個垂直方向位置模擬信號高速、高精度轉(zhuǎn)換。主控制器通過I2C接口經(jīng)過PCA9517 I2C中繼器來控制轉(zhuǎn)換芯片。模塊通過中繼器可與其他I2C設(shè)備相連接。由于在位置信息模擬信號中存在一定的噪聲成分，因此在ADS1015芯片模擬信號輸入端設(shè)計了前置濾波電路。

　　當系統(tǒng)需采集相應(yīng)位置信息時，主控制器選通PCA9517，通過I2C總線發(fā)送ADS1015芯片地址訪問芯片，并發(fā)送相應(yīng)通道的轉(zhuǎn)換命令，啟動一次位置信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；當模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時，芯片置位RDY端口，提示主控芯片可讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，芯片將轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過I2C總線發(fā)送至主控制器，完成一次位置信息的采集。

　　3.2電機驅(qū)動模塊

　　電機驅(qū)動模塊硬件電路如圖4所示。由于自動準直系統(tǒng)的發(fā)射器與接收器需要進行兩個垂直方向的掃描及定位，因此每一端需要水平及垂直兩個直流電機。模塊中采用DRV8830作為直流電機的驅(qū)動芯片。DRV8830芯片是一個低壓H橋電壓控制直流電機驅(qū)動器。工作電源電壓2.75 V~6.8 V。通過PWM電壓調(diào)節(jié)技術(shù)控制芯片的電壓輸出，使得芯片能夠在外部電源電壓不穩(wěn)的情況下保證電機運行速度的穩(wěn)定。主控制器通過I2C總線控制驅(qū)動芯片的輸出電壓，進而控制直流電機的轉(zhuǎn)動模式及轉(zhuǎn)速。由于驅(qū)動芯片的輸出為模擬信號，為了保證電機輸入電壓的穩(wěn)定，在直流電機輸入端設(shè)計了濾波電路。

　　當自動準直系統(tǒng)需要進行相應(yīng)方向的掃描或定位時，主控制器選通相應(yīng)的I2C中繼器，通過I2C總線發(fā)送DRV8830芯片地址訪問芯片，并發(fā)送相應(yīng)的控制命令，驅(qū)動電機執(zhí)行相應(yīng)的動作。當沒有新的控制命令時，驅(qū)動芯片驅(qū)動電機保持當前狀態(tài)運轉(zhuǎn)。

4軟件設(shè)計

　　透射儀自動準直系統(tǒng)軟件主程序流程如圖5所示。

　　流程圖描述了接收器對準過程，發(fā)射器對準過程與接收器對準過程類似。將透射儀安裝完畢以后，先進行人工初始對準。人工初始對準的目的是讓接收器能夠接收到發(fā)射器發(fā)出的探測光。人工初始對準完畢后，由主控制器運行自動對準程序，進行自動對準。為了提高自動準直系統(tǒng)的對準精度，系統(tǒng)對發(fā)射器和接收器分別進行兩次對準，每一次對準操作按照先接收器后發(fā)射器的順序進行。自動準直程序首先進行初始化，完成相關(guān)初始化之后，按照先水平軸后垂直軸的順序分別執(zhí)行掃描、光強及位置信息采集、數(shù)據(jù)處理和定位操作。掃描和定位主要由電機驅(qū)動模塊執(zhí)行，定位過程中仍需要進行位置信息采集以判斷電機轉(zhuǎn)軸是否到達指定位置。光強信息采集是通過程序中的測量接收光強命令由透射儀中的接收光強測量模塊完成。數(shù)據(jù)處理是由主控制器根據(jù)測量的光強及位置數(shù)據(jù)計算得到相應(yīng)的方位角，該方位角即為定位過程中轉(zhuǎn)軸需要到達的位置。

5結(jié)論

　　本文根據(jù)透射儀光學(xué)系統(tǒng)的特征，在其測量光路的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于掃描方式的自動準直系統(tǒng)，并配合相關(guān)傳感器完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，并對軟件流程作了規(guī)劃，可以實現(xiàn)透射儀測量光路的自動對準。該系統(tǒng)不需要另外設(shè)計對準光源，且利用透射儀主控制器進行控制，便于在透射儀測量系統(tǒng)中應(yīng)用。

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