劉學德， 繆東晶， 張京燕， 李連福，李建雙， 張福民， 李 萍

(1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津300072；2.中國計量科學研究院，北京100029)

1 引 言

空氣折射率修正是提高激光測距精度的關(guān)鍵因素[1～4]，尤其是修正的實時性。在野外測距時，考慮到可操作性，環(huán)境參數(shù)法是普遍采用的計算折射率的方法[5～7]，因此環(huán)境參數(shù)實時準確獲取是非常重要的。為實現(xiàn)高精度的空氣折射率修正，德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch Technische Bundesanstalt，PTB)在其600 m標準基線建立野外環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)[8]，進行溫度、濕度和氣壓3種類型的環(huán)境參數(shù)采集，共包括68個傳感器，采集周期約為30 s。至2017年，中國計量科學研究在北京昌平院區(qū)研制的1.2 km環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)[9,10]，共有76個傳感器，涵蓋溫度、濕度、氣壓3種環(huán)境參數(shù)，采集周期約為12 s。

近年來隨著長度計量的發(fā)展，在野外如能更準確補償空氣折射率，長距離測量的不確定度有望降低到10-7量級[11，12]。為了進一步提高野外測量時的空氣折射率補償精度，對1.2 km環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)進行了改進升級，增加二氧化碳、風速以及風向參數(shù)的采集功能，并通過優(yōu)化軟硬件，進一步提高系統(tǒng)的實時性和準確性，以便提高空氣折射率修正精度。

2 環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)硬件組成

環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)硬件由5種類型傳感器和輔助設(shè)備兩部分組成。圖1為測量系統(tǒng)布局圖；圖2為系統(tǒng)各類傳感器和輔助設(shè)備的硬件連接圖。

圖1 環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)布局圖Fig.1 Layout of environmental parameter automatic measurement system

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖Fig.2 Diagram of system hardware connection

測量系統(tǒng)根據(jù)溫度、濕度、氣壓、二氧化碳對測距產(chǎn)生影響程度的不同[13～15]，選取一定數(shù)量的各類傳感器分布在1.2 km基線沿線。采用的5種類型的傳感器分別是：鉑電阻式的溫度傳感器、濕敏電容型的濕度傳感器、硅電容式壓力傳感器、超聲波式的風速傳感器、硅基型的二氧化碳傳感器；還有與各傳感器相對應(yīng)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備。其中，溫度傳感器共60個，以20 m為間隔，均勻地分布在同一測線上與光路等高位置；以100 m的間隔設(shè)置13個恒溫柜，在恒溫柜附近，布置13個濕度傳感器；在基線的起始位置，中間位置以及尾部位置均安裝1個氣壓傳感器，1個風速傳感器和1個二氧化碳傳感器。共計82個傳感器，形成密集的傳感器陣列，布置在1.2 km標準基線沿線。

測量系統(tǒng)的輔助設(shè)備包括恒溫柜、地址轉(zhuǎn)換器、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口設(shè)備、交換機、上位機以及相關(guān)的設(shè)備線，各輔助設(shè)備連接方式見圖2。設(shè)置恒溫柜的目的是創(chuàng)造恒溫的工作環(huán)境，提供給各硬件設(shè)備良好的使用環(huán)境；地址轉(zhuǎn)換器主要是給各傳感器設(shè)置地址和改變數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議；采用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口設(shè)備目的是將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，該設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速率到達1×108b/s，提供雙串行接口；交換機提供數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)通訊功能。

3 分組并行采集改進方案

環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)將傳感器分成多組，采用并行方式同時采集各傳感器組環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速采集。

3.1 硬件改進

影響系統(tǒng)采集速率的因素有：傳感器自身響應(yīng)時間及數(shù)據(jù)排隊等待傳輸時間。傳感器的數(shù)據(jù)傳輸是串聯(lián)方式。每個傳感器的數(shù)據(jù)都是通過一個數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備傳輸?shù)缴衔粰C，必須等待上一個傳感器數(shù)據(jù)傳輸完成后才能進行下一個傳感器的數(shù)據(jù)的傳輸，其它傳感器均處于等待狀態(tài)，大大降低自動測量系統(tǒng)的實時性。

為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)采取一種分組并串聯(lián)結(jié)合方式，即各組間測量數(shù)據(jù)并聯(lián)傳輸，組內(nèi)測量數(shù)據(jù)串聯(lián)傳輸。將系統(tǒng)所有傳感器分成14個組，為每一個傳感器組配置一個以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。測量系統(tǒng)配置7個該設(shè)備，同時對14個傳感器組的數(shù)據(jù)進行并行采集，直接存入上位機，降低數(shù)據(jù)排隊等待時間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速采集。

圖3為硬件連接示意圖，根據(jù)系統(tǒng)分組設(shè)計的方案，將硬件設(shè)備分成14個組，圖3為系統(tǒng)單個組硬件連接方式，由于不是每個組均包含5類傳感器，每個組實際傳感器種類和數(shù)量根據(jù)實際需要配置。

圖3 硬件連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of hardware connection

3.2 軟件改進

軟件采用模塊化開發(fā)，設(shè)計14個子模塊分別對應(yīng)硬件的14個傳感器組，并行采集各組數(shù)據(jù)；并通過主控程序管理各個子模塊，圖4為軟件設(shè)計流程圖。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow diagram

子模塊功能分為3個部分：①串口通信部分。通過串口，實現(xiàn)軟件和硬件之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。②數(shù)據(jù)處理部分。將接收的字符串數(shù)據(jù)根據(jù)各傳感器類型進行分類處理，轉(zhuǎn)換為可識別的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)；③存儲部分。將傳感器配置信息和采集數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

系統(tǒng)主控程序監(jiān)控子模塊以及傳感器運行狀態(tài)，顯示環(huán)境參數(shù)采集狀況。包括4個部分：①子模塊管理部分?？刂谱幽K運行，分配傳感器地址，傳感器錯誤類型提示和子模塊通斷提示。②實時監(jiān)控部分。以曲線的形式動態(tài)地顯示1.2 km沿線的環(huán)境參數(shù)變化情況。③歷史查詢部分。查看指定時間段內(nèi)的環(huán)境變化情況。④存儲云端部分。環(huán)境數(shù)據(jù)存儲到云端數(shù)據(jù)庫，共享給其它測量設(shè)備使用。

4 系統(tǒng)測試與測試結(jié)果分析

4.1 基線溫度場分析

選取基線具有代表性的溫度數(shù)據(jù)，即溫度變化劇烈和溫度變化平緩各一天的數(shù)據(jù)，分析基線測線上的溫差變化情況，圖5是基線陰天(2019年5月18日)的溫度變化情況，圖6是基線晴天(2019年6月9日)的溫度變化情況。

圖5 基線陰天溫度變化曲線圖Fig.5 Baseline cloudy temperature curve

圖6 基線晴天溫度變化曲線圖Fig.6 Baseline sunny temperature curve

從圖5和圖6可知，陰天基線溫度變化相對平緩，在18.3 ℃～20.6 ℃范圍內(nèi)波動，晴天基線溫度在19.5 ℃～32.0 ℃范圍內(nèi)變化，且變化劇烈呈現(xiàn)快速上升和下降趨勢。溫度相鄰采樣間隔變化量很大，因此，采集速率就變得異常關(guān)鍵，即采集的實時性。提高測量系統(tǒng)參數(shù)采集的實時性，可有效監(jiān)控基線沿線環(huán)境變化情況，提高折射率實時補償性能，降低延時引入的測量誤差。

4.2 實時性分析

系統(tǒng)的實時性通過各傳感器的采集速率來分析，采集周期即同一傳感器相鄰2次數(shù)據(jù)采集的時間間隔。選取系統(tǒng)改進后的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，分別計算出每個傳感器最大采集周期，統(tǒng)計出各類傳感器中采集時間間隔較大的傳感器各3個。圖7是各類傳感器采集周期圖，圖7中橫軸表示選取的各類傳感器樣本，縱軸表示采集周期。

由圖7可知，系統(tǒng)改進之后，溫度傳感器最大采集周期不超過6.987 s，濕度傳感器最大采集周期不超過6.986 s，氣壓傳感器最大采集周期不超過6.987 s，由此可得出，系統(tǒng)總體采集周期不超過7 s。與系統(tǒng)改進之前相比，采集周期從12 s降低到7 s，大幅度降低了采集周期。且全天溫度、濕度、氣壓采集總數(shù)從原來的40萬條增加到113萬條，正確率高于98%。

4.3 延時影響分析

系統(tǒng)實時性的提高，為溫度延時溫差分析和折射率修正誤差分析提供可行性基礎(chǔ)。在野外溫度是影響折射率修正最顯著的參數(shù)，溫度延時誤差直接影響折射率修正結(jié)果。

圖7 傳感器采集周期圖Fig.7 Sensors acquisition cycle diagram

現(xiàn)對溫度變化平穩(wěn)(圖5)和溫度變化劇烈(圖6)的基線溫度數(shù)據(jù)進行分析，分別計算7 s延遲時，相鄰兩次采樣間隔溫度變化量，記為延時溫差，并繪制延時溫差圖。圖8為基線陰天和晴天延時溫差圖。

圖8 基線陰天和晴天延時溫差圖Fig.8 Delay temperature difference diagram of baseline cloudy day and sunny day

分析圖8可知，陰天(圖8(a))延時溫差不大于0.06 ℃，晴天(圖8(b))延時溫差不大于0.20 ℃，晴天的溫差變化量明顯高于陰天。且在陰天和晴天均可找到溫差較小的時段(見圖8中的小框)，在此時段測量，可將空氣折射率修正延時誤差顯著降低，從而提高測量精度。

取溫度變化平緩(圖5)和溫度變化劇烈(圖6)時的同一個傳感器24 h內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)為例，分析溫度延時對折射率修正的影響。統(tǒng)計該傳感器采樣間隔7 s時的延時溫差，并繪制延時溫差圖。圖9是該溫度傳感器陰天和晴天時的延時溫差圖。

比較分析單個傳感器陰天(圖9(a))和晴天(圖9(b))延時溫差，晴天延時溫差波動更加劇烈?，F(xiàn)就晴天溫差變化較大數(shù)據(jù)進一步分析，分別截取曲線中不同時段，時段長30 min的溫度數(shù)據(jù)，計算溫度在7,14,21,28 s的溫度最大變化量，表1是延時溫差統(tǒng)計結(jié)果。

表1 延時溫差表Tab.1 Delay temperature difference table

由表1可看出，野外自然條件下，不同時段溫度變化不同，延時引入的折射率修正誤差也不同。根據(jù)溫度與折射率間關(guān)系[7]，在氣壓為1 013.25 Pa，濕度為60%時，溫度每1 ℃的變化引起折射率變化量為1.02×10-6。當延時時間為7 s時，最大延時溫差不超過0.185 ℃，引入的折射率修正誤差小于1.89×10-7；晴天理想測量時段最大延時溫差為0.046 ℃，引入的折射率修正小于4.7×10-8。

圖9 單個傳感器陰天和晴天延時溫差圖Fig.9 Delay temperature difference diagram of single sensor on cloudy day and sunny day

5 結(jié) 論

1.2 km的長距離環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)可以實時監(jiān)測基線沿線溫度、氣壓、濕度、二氧化碳以及風速等環(huán)境參數(shù)變化情況。系統(tǒng)采用分組并行采集方式改進后，采集的正確率提高到98%以上，采集周期降低在7 s以內(nèi)。

優(yōu)化后的1.2 km環(huán)境參數(shù)自動測量系統(tǒng)，提高了空氣折射率補償實時性，在基線理想的時間段，最大延時溫差小于0.05 ℃，折射率修正誤差小于5×10-8。該測量系統(tǒng)為長距離測量儀器的檢定、標準基線測量提供了準確的環(huán)境參數(shù)實時修正，降低了修正誤差。