采用Cortex-M3及RTOS控制的散射式大氣低能見度儀的設計方案

1.引言

近年來我國大氣環(huán)境污染日益嚴重，能見度作為主要氣象環(huán)境參數之一，在天氣變化、大氣污染狀況和渾濁程度等方面有著重要的環(huán)境監(jiān)測意義，同時也在高速公路、航海、航空等交通運輸以及軍事等領域發(fā)揮了重要作用。

目前能見度檢測儀器主要有以下兩個方面特點：一是目前公路交通、海港、機場等場所使用的能見度檢測儀器基本上均為國外產品，一臺動輒過十萬的高昂價格限制了應用規(guī)模，往往適用于大區(qū)域的天氣性能見度測量，難以覆蓋到“團霧”

多發(fā)的局部小范圍區(qū)域，存在預警檢測盲點；二是現(xiàn)有的能見度檢測儀器更注重測量精度，功能方面則較為單一，擴展兼容性差，數據傳輸方式基本還是以有線傳輸為主，沒有有線通訊網絡建設的地方就難以方便地架設，造成預警盲點區(qū)域較多，需要依賴基礎建設方面的投入。因此，針對現(xiàn)有問題，應用新技術設計一種低成本、低功耗、擴展兼容性好、能夠靈活接入到現(xiàn)有智能交通監(jiān)測網絡的低能見度預警檢測前端設備。

2.能見度的測量理論

根據氣象能見度的定義，白天和夜晚能見度的概念有顯著的差異。首先，白天能見度是以晴朗無云的天空為背景，而夜晚的觀測背景是較黑的夜空；其次，二者的目標物也有區(qū)別，白天為黑色物體，夜晚則為燈光，屬于點光源。所以白天和夜晚能見度測量依據的是不同的理論，分別為Koschmiedir“大氣光”亮度傳輸公式和Allard的大氣燈光照度傳輸公式。夜間能見度受影響的因素更多，測量過程遠比白天能見度復雜，計算誤差也更大。事實上，出于一致性和簡易性考慮，目前大部分的能見度測量儀器主要以Koschmiedir定律作為基本的理論依據，儀器測量出的能見度值對于白天具有實際價值，基本上等同于白天的實際能見度，而對于夜晚僅具有物理意義，但作為參考對夜間行車間距和車速等行業(yè)應用仍具有指導作用。

2.1 能見度的計算公式

Koschmiedir定律可由能見度測量的基本方程Bouguer-Lambert定律推導出，根據Bouguer-Lambert定律：

式中， F 是在大氣中經過x路徑長度接受的光通量， 0 F 是在x=0時的光通量，σ 為消光系數。求導可得：

雖然Bouguer-Lambert定律針對的僅是單一光譜，但作為近似，對光譜通量同樣適用。透射因數為：

式（5）即為Koschmiedir定律，式（6）為白天能見度的基本計算公式。Koschmiedir定律是確定天白能見度的理論基礎，反映的是假定消光系數為常數，也就是大氣處于均勻狀態(tài)時，對于以水平天空為背景的黑色目標物，大氣的透明程度以及目標物對于背景的對比度隨距離變化的規(guī)律。由該定律可知，只要測得消光系數σ ,就可計算得到能見度值。

氣象觀測上，通常取視覺閥值ε =0.02,而大氣光學視程（MOR）定義ε =0.05,代入式（5），可得到氣象能見度和MOR的值：

航空業(yè)出于飛行安全考慮，通常推薦選用較高的視覺閥值ε =0.05,采用該值計算得到的能見度更為嚴格，更接近行業(yè)的實際需要。而高速公路等要求高安全性的應用領域也常常以該視覺閥值作為參考。因此式（8）是最常用的白天能見度的基本計算公式。本文研究研究測量的能見度就是MOR.

2.2 前向散射式能見度測量原理

根據Koschmiedir定律，只要測得大氣消光系數σ ,就可以計算得到能見度，可見消光系數σ 是測量能見度的關鍵。前向散射式能見度測量儀器就是通過從適當的角度測量散射光強度來計算消光系數，進而獲得能見度。其原理主要基于三個假設前提：

（1）大氣均質，大氣內影響能見度的各種顆粒是均勻分布的，即消光系數σ 為常數。該假設是所有能見度測量儀器的設計基礎，無論是采用何種方式測量能見度，都是用有限空間的被測樣本代表相對較大范圍的大氣狀態(tài)，不可能包括所有的大氣顆粒。由于大氣中顆粒狀態(tài)變化是大范圍而且相對較為緩慢過程，在一定尺度空間范圍，可以認為呈均質狀態(tài)。

（2）大氣消光系數σ 等于大氣中霧、霾、雨和雪的散射系數，也就是說大氣分子沒有吸收或分子內部沒有交互光學效應，可以忽略大氣對光的吸收作用。用A表示大氣的吸收系數，用S σ 表示散射系數，則消光系數σ 有：

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(tǒng)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(fā)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(tǒng)設計

3.1 前向散射式紅外光發(fā)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(fā)射與接收裝置分置于支架的兩端，成35°夾角，發(fā)射光配置成雙光路，用于前向散射和光強穩(wěn)定參考。發(fā)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(fā)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(fā)射器的參考光路中布置有光電接收器件，通過監(jiān)測發(fā)射裝置參考光路的光強，采用負反饋比較測量法進行穩(wěn)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(fā)射光強不穩(wěn)定的問題，減小系統(tǒng)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(xiàn)。

3.3 以Cortex-M3架構微處理器為核心的控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)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(tǒng)低成本、低功耗、高性能等方面的設計要求?？刂葡到y(tǒng)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(jiān)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(xiàn)。充分利用LPC17xx的定時器，實現(xiàn)數字波形發(fā)生器和數字移相器，輸出用于發(fā)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(jié)的相位，以替代傳統(tǒng)的模擬電路搭建的方波發(fā)生電路及移相電路，可簡化硬件設計和相位調節(jié)的調試過程，有利于提高穩(wěn)定性。框圖如圖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(xiàn)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(jiān)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(fā)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(fā)通信，在240-960MHz頻率下輸出功率可達+20dBm,接收靈敏度-117dBm,實現(xiàn)500米范圍內與可變信息牌、路標等現(xiàn)場預警執(zhí)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(jiān)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。

低能見度預警檢測儀數據收發(fā)電路如圖2所示，其中U9為SI4432,由于采用單天線形式，使用了射頻收發(fā)轉換開關UPG2214T（圖2中U6）進行收發(fā)切換。

4.軟件設計

系統(tǒng)軟件設計采用RL-RTX實時操作系統(tǒng)（RTOS），以實現(xiàn)多任務的嵌入式程序應用。使用RTOS可簡化任務的調度和維護，對CPU、內存等系統(tǒng)資源進行靈活配置。程序開發(fā)、編譯及仿真使用ARM公司的RealView MDK開發(fā)工具集的新版本μVision 4.系統(tǒng)的主要功能包括能見度數值等多信息的采集、多種方式的數據傳輸以及數據存儲等，總體工作流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后，首先開始系統(tǒng)初始化工作，進行對硬件模塊的配置以及儀器自檢。初始化完成，系統(tǒng)開始不間斷地對能見度數值、溫度信息等數據進行采集，獲得的數據結合時間信息存入SD卡。當檢測到的能見度連續(xù)一段時間均低于設置的報警閥值時，觸發(fā)低能見度報警機制，系統(tǒng)通過有線或無線多種方式傳輸網絡向指揮中心進行報警，以及實時更新現(xiàn)場可變信息牌、預警路標等顯示設備。圖3所示為系統(tǒng)總體工作流程。

5.低能見度場外實驗

為了檢驗樣機的性能和可靠性，2012年12月至2013年1月，對樣機在我市進行了為期2個月的場外實驗，直接測量輸出大氣能見度值，實驗時間分別選在多霧發(fā)生的凌晨和傍晚，為方便分析，在不同能見度區(qū)間挑取了典型數據，并與人工觀測值進行對比，結果如圖4所示。從圖4可以看出，樣機的檢測精度與能見度值成反比，隨著能見度的升高而降低，這是因為在較高的能見度天氣下，環(huán)境光背景噪聲和雜光干擾更大，檢測到的散射光信號更為微弱，測量精度也就越低。系統(tǒng)樣機在500m范圍內檢測誤差小于±5%,而500~2000m誤差則增加到約±10%,完全符合系統(tǒng)±20%的測量精度要求。

6.結論

散射式低能見度預警檢測儀主要由紅外光發(fā)射和接收裝置、信號調理模塊、控制模塊、預警數據輸出模塊和電源模塊組成。本文提出的基于Si4432散射式大氣低能見度儀的設計方案。方案中所設計系統(tǒng)的控制和數據處理采用基于ARMC o r t e x - M 3內核的新型微處理器，運行RTOS實時操作系統(tǒng)，有利于提高運行效率和系統(tǒng)性能，便于升級、維護和擴展。具有良好的社會效益和廣闊的產業(yè)化前景。