Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ＺＥＭＡＸ在透射仪测量光路准直系统设计中的应用 周树道 ，马忠良 ，王 敏 （１．理工大学气象海洋学院，江苏南京２１１１０１； ２．南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心，江苏南京２１１１０１） 摘 要：在ＺＥＭＡＸ非序列环境下建立了透射仪光学系统模型。利用建立的模型研究了ＬＥＤ光源表面特征对透射仪测量光路 准直的影响，并通过增加扩散片优化了光学系统结构。对提出的基于扫描方式的测量光路准直方法进行了仿真研究。研究结 果表明，基于该方法方位角测量最大相对误差为２％，验证了该方法的可行性。 关键词：ＺＥＭＡＸ；准直系统；透射仪 中图分类号：ＴＮ１２；Ｐ４２７．２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１９３５８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４．７７２０．２０１６．２２．０２４ 引用格式：周树道，马忠良，王敏．ＺＥＭＡＸ在透射仪测量光路准直系统设计中的应用［Ｊ］．微型机与应用，２０１６，３５（２２）：９２．９４，９７． Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＺＥＭＡＸ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｍｅｔｅｒ Ｚｈｏｕ Ｓｈｕｄａｏ ，Ｍａ Ｚｈｏｎｇｌｉａｎｇ ，Ｗａｎｇ Ｍｉｎ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ，ＰＬＡ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｎ Ｆｏｒｅｃａｓｔ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｄｉｓａｓｔｅｒｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００４４。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｍｅｔｅｒ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＺＥＭＡＸ ｎｏｎ—ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＬＥＤ ＯＩ１ ｔｈｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｓｈｅｅｔ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｏｆ ａｚｉｍｕｔｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ２％ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺＥＭＡＸ；ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｍｅｔｅｒ ０ 引言 透射仪是机场跑道进行水平能见度测量的常用设 备…，也是世界气象组织（ＷＭＯ）进行大规模能见度测量 仪器比对时采用的标准设备 。在透射仪光学测量系统 中，发射端与接收端之间测量光路的准直性能对接收端接 收光强的影响与能见度下降对接收光强的影响相同 。 光路准直系统设计中，可以辅助光学结构的优化设计；在 系统硬件实现之前，分析系统设计方案可行性。 １ 透射仪光学系统模型 １．１ 系统结构 透射仪光学系统是透射仪测量系统的重要组成部分， 光学系统直接反映了透射仪测量原理，光学系统设计对透 因此，透射仪测量光路处于非准直状态时会使得能见度测 量精度下降。在透射仪使用过程中，首先需进行测量光路 的对准。由于透射仪发射端与接收端距离（基线）较长， 测量光路对准十分困难。可见，测量光路准直技术是透射 式能见度探测技术中的一项关键技术” 。 ＺＥＭＡＸ是美国Ｆｏｃｕｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｉｎｃ公司设计开发的光 射仪测量精度具有重要影响。透射仪光学系统由发射端 与接收端两部分组成，如图１所示。发射部分主要包括光 源、光电传感器、发射透镜、光阑、光筒。接收部分主要包 括接收透镜、光电传感器、光阑、滤光片、光筒。光源发出 的光经过发射透镜汇聚以近似平行光从发射端发出，光源 的发散角得到压缩，探测光束的能量体积密度得到提高， 使得接收光学系统可以接收到更多的能量。探测光束经 过基线长度的空气传输以后经过接收透镜汇聚、光学滤波 学设计及仿真分析软件 ，具有强大的激光束传输仿真功 能，提供了序列及非序列两种光线追迹模式。其中，非序 列模式下有多种光源模型，包括高斯光束、半导体高斯光 束、椭圆高斯光束等。将ＺＥＭＡＸ软件应用到透射仪测量 ｝基金项目：国家自然基金（无人机实时全景遥感成像技术研究）（４１３０１３７０） ９２ 在光电二极管上形成测量光斑，产生电信号，电信号强度 正比于接收光强。 与其他光源相比，ＬＥＤ光源具有光源面积小、发光稳 定、响应速度快和易于调制的特点 。同时，在各类ＬＥＤ光 《微型机与应用）２０１６年第３５卷第２２期 技木与方法 Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ 透镜“Ｚ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ”控制基线长度。光学系统模型如图３所 示。 验结果如图６所示。 与图５所示的实验结 果相比，图６中１ 形能量 较弱区域消失，探测光束 远场光斑能量分布变得均 发射端 接收端 Ｌ． 匀。与不加扩散片相比， 接收镜头前探测器上接收 图３光学系统模型 ４００ ｎ１ｍ Ｊ。 到的总能量下降５０％，但 增加扩散片后远场光斑图样 《微型机与应用））２０１６年第３５卷第２２期 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ ９３ ９４ 嚣 酸嚣 Ｊ ｆ ｆ ， ｆ Ｆ ， ｆ ｆ。 嘣（＿ＩＤｌ嗽㈨娜㈣碍虹 棚ｌ删棚（’口嘲 峨（’０嘲㈣棚（‘《 ！３ ｊ ； 瓢 啡盥ｊｎ 呻 瓤洲５蠲｝ 蟛 删辅＊测 蜘孵 ２０ｉＳ斛铆ｍ钒 最 柱 ＃． 椎 氟Ｈ 表１ 两种算法比较 ＼ 梧 斛鼙娴求 Ａｓ｝｛ ０ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ 让２ 花２ 匏∞ 莨＆ 让９ 住口 性 ｎ｝｝ 口 拽３ 帆６ ３１ ８ ｍ ｎ ＂ ｍ％ 轧＂ 钆 靠∞ ＊∞ 蘸 啦 抵“ 虬Ⅱ 他日 祀∞ 霓＊ 耗 豫ｎ 氟 峨穹皇 靠 峨 蛾＊ 牡∞ 抵＊ 丑 冁＊ 丑塘 菇壮 亚ｌ５ 峨８９ 矬 豫ｌｌ 托 ≈： 强 恕 靶 让 冠 １ ９ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ １ Ｏ ） ２０ 艄 蛳矾ｎ ｉ锄ｌ５艄翻１００ｊ｝端 ｊ 埘 蚺囝｝蛳懈 枷 柱＊ 弛Ｉ２ 乜 蛆 ≈ ｍ ｎｆ６ 峨％ 让 雏 托∞ 镜 让∞ ＊ ２ 藏 缸 图３数据保存界面 ６ 结论 本系统在设计中接人ｌ０个下位机，组成小型全方位 ４．２数据分析 监控系统，以达到对酒曲房的实时、高效、准确的监控与自 动报警。实验表明，系统通信稳定，数据传输可靠，使用方 通过图３可以看出，系统不问断地获取到了特定目标 的温湿度数据，并将数据存人ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ数据库，温度和 湿度数据没有出现误码，无线通信取得了良好的效果。 便且布局简单，可以应用于其他领域的监控。 参考文献 ［１］袁江，曹金伟，邱自学，等．基于的粮库温湿度无线监测系 统［Ｊ］．自动化与仪表，２０１１，２６（２）：２１－２２． ［２］王建校，杨建国．５１系列单片机及Ｃ５１程序设计［Ｍ］．北京： 科学出版社，２００２． ５数据采集算法的实现 在该设计中采用了均值漂移算法与粒子滤波相结合 的方法。通过粒子权重的比较，将粒子权重小的粒子剔 除，采用均值漂移算法聚类粒子，从而可以使用很少的粒 子就能达到预期的状态，减少了计算量，提高了跟踪效率。 测试结果如图４所示。结果表明，本文算法效率高、实时 ［３］娄国强，徐元，刘吉星．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的温湿度监测系统 设计［Ｊ］．可编程控制器与工厂自动化，２０１０（６）：８９—９１ 性强和准确性高。将粒子滤波算法与本文算法进行比较， 结果如表１所示。 ［４］李天平．项目中的．ＮＥＴ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１２． ［６］李永成，凌青，吴刚，等．基于ＺｉｇＢｅｅ的温湿度数据无线采集 监控系统设计［Ｊ］．微型机与应用，２０１２，３１（７）：６１－６７． ［５］ｂ艳茹，程海，翟淑霞，等．基于ＪＮ５１６８的温室监控系统设 计［Ｊ］．中国农机化学报，２０１４，３５（４）：２０８－２１１． ［７］曹圆圆．基于ＳＴＭ３２的温度测量系统［Ｊ］．仪器仪表与分析 检测，２０１０（１）：１６・１８． 作者简介： （收稿日期：２０１６－０６—２９） 黄奥云（１９９２一），通信作者，男，硕士研究生，主要研究方 向：无线通信及移动互联网。Ｅ－ｍａｉｌ：５４４３００４７３＠ｑｑ．ｔｏｍ。 ０ ０．２ ０．４ ０．６ ０．８ 高瑜翔（１９７０一），男，博士，教授，主要研究方向：通信系统 ＲＧＢ直方图概率分布值／％ 图４ 目标的颜色模型的累积分布函数图 与移动通信中的关键技术，现代通信和电子技术在军用和民用 产品中的应用和开发。 （上接第８３页） ［７］周慧茹．ＴＤ—ＬＴＥ无线网络链路预算分析［Ｊ］．铁路通信信号 工程技术，２０１２，９（１）：３０－３３． ［８］王映民，孙韶辉．ＴＤ—ＬＴＥ技术原理与系统设计［Ｍ］．北京： 人民邮电出版社，２０１０． 作者简介： （收稿日期：２０１６－０６—２９） 许侠（１９９１一），男，硕士研究生，主要研究方向：ＬＴＥ移动通 信系统。 （上接第９４页） ［５］雷平顺，薛力芳，何军，等．ＺＥＭＡＸ在多模光纤准直器设计 中的应用［Ｊ］．激光与光电子学进展，２０１１，４８（１）：５８－６１． ［６］罗晓霞，刘华，卢振武，等．实现ＬＥＤ准直照明的优化设 计［Ｊ］．光子学报，２０１１，４Ｏ（９）：１３５１—１３５５． （收稿日期：２０１６—０５—１９） 作者简介： 果。本文验证了基于扫描方式的测量光路准直方法的可行 性，为基于该方法的准直系统的设计与实现提供了参考。 参考文献 ［１］程绍荣，魏全忠，吕军．一种实用型大气透射式能见度仪的 研制［Ｊ］．光电工程，２０１１，３８（２）：１４４．１５０． ［２］邢向楠，崔岩梅，李涛，等．基于透射法的能见度测量装置设 计与实验研究［Ｊ］．计测技术，２０１１，３１（３）：１０－１３． ［３］马忠良，周树道．透射式能见度仪发展现状与关键技术［Ｊ］． 气象水文装备，２０１５（２）：９—１２． 周树道（１９６４），男，硕士，教授，主要研究方向：透射式能见 度探测技术。 马忠良（１９９０），男，硕士研究生，主要研究方向：透射式能见 度探测技术。 ［４］邢向楠，崔岩梅，张富根，等．能见度测量技术现状及发展趋 势综述［Ｊ］．计测技术，２０１０，３０（５）：１５－２０． 王敏（１９８３），女，硕士，讲师，主要研究方向：信号与信息处理。 《微型机与应用＞）２０１６年第３５卷第２２期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．￣ｏｍ ９７
