一種大氣能見(jiàn)度光電測(cè)量系統(tǒng)半自動(dòng)定標(biāo)方法

李兵艦，楊 帆

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

大氣能見(jiàn)度是重要的氣象因素，對(duì)公路交通、航空航海、水文、森林、機(jī)場(chǎng)等地的氣象監(jiān)測(cè)都有著一定的影響。自1957年Koshmieder定律建立以來(lái)，各種大氣能見(jiàn)度儀應(yīng)運(yùn)而生，大量投入到實(shí)際應(yīng)用中[1]。目前國(guó)際上的大氣能見(jiàn)度儀器主要有透射式能見(jiàn)度儀、前向散射式能見(jiàn)度儀、激光雷達(dá)等。

常規(guī)的能見(jiàn)度儀定標(biāo)方法有工作母機(jī)傳遞法、標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)校法和自我標(biāo)校法。工作母機(jī)傳遞法是先由專業(yè)的能見(jiàn)度觀測(cè)員提供當(dāng)前能見(jiàn)度的真實(shí)值，再依照此真實(shí)值選擇一臺(tái)性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高的能見(jiàn)度儀作為工作母機(jī)進(jìn)行定標(biāo)，然后再通過(guò)工作母機(jī)提供的能見(jiàn)度實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)能見(jiàn)度儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)定標(biāo)。該方法的缺點(diǎn)在于很難保證工作母機(jī)自身的測(cè)量精度，另外也存在著較大的人為因素產(chǎn)生的誤差。使用此方法給能見(jiàn)度儀定標(biāo)的廠家以洛陽(yáng)凱邁測(cè)控有限公司為代表，其生產(chǎn)的CJY-1C型前向散射式能見(jiàn)度儀對(duì)能見(jiàn)度的監(jiān)測(cè)較為穩(wěn)定，常用于我國(guó)的民用機(jī)場(chǎng)和高速公路上[2]。使用標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)校法定標(biāo)的代表儀器是錦州陽(yáng)光氣象有限公司的NJD-1型前向散射式能見(jiàn)度儀。該定標(biāo)方法使用堵光板模擬高能見(jiàn)度的測(cè)量，使用校準(zhǔn)板模擬低能見(jiàn)度的情況，并且一般在高能見(jiàn)度和低能見(jiàn)度處抽查。此方法的不足之處為用于校準(zhǔn)的散射標(biāo)準(zhǔn)器基于散射儀制作，所測(cè)的能見(jiàn)度數(shù)據(jù)和真實(shí)值之間存在轉(zhuǎn)換誤差。自我標(biāo)校法的使用以芬蘭VAISALA公司為代表，該公司的LT31型透射式能見(jiàn)度儀廣泛應(yīng)用于我國(guó)的機(jī)場(chǎng)等地，其集成了透射儀和散射儀[3]。由于透射儀測(cè)量低能見(jiàn)度時(shí)精度較高，而散射儀測(cè)量高能見(jiàn)度時(shí)有較好的測(cè)量精度，在定標(biāo)時(shí)二者可以互為對(duì)方提供標(biāo)校數(shù)據(jù)。該方法存在的問(wèn)題是當(dāng)透射儀或散射儀自身測(cè)量基準(zhǔn)存在偏差時(shí)，再用于給對(duì)方標(biāo)校就會(huì)出現(xiàn)誤差，并且散射儀測(cè)量精度本來(lái)就低于透射儀，用散射儀給透射儀定標(biāo)本來(lái)就有不合理之處。

目前國(guó)際上透射儀的定標(biāo)大都采用人工外掛校準(zhǔn)片的方法進(jìn)行[4]。但是這種定標(biāo)方法難以保證校準(zhǔn)精度，容易受到人為因素的影響而造成誤差，并且定標(biāo)操作麻煩，維護(hù)成本高。為了克服這些問(wèn)題，本文為所設(shè)計(jì)的能見(jiàn)度光電測(cè)量系統(tǒng)專門提出了一套半自動(dòng)定標(biāo)系統(tǒng)用于儀器定標(biāo)。

1 光電測(cè)量系統(tǒng)

本文的大氣能見(jiàn)度光電測(cè)量系統(tǒng)由光學(xué)發(fā)射模塊、光學(xué)接收模塊、儀器控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。樣機(jī)采用雙端式探測(cè)方式，發(fā)射端和接收端分開(kāi)放置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)在外場(chǎng)工作時(shí)，光學(xué)發(fā)射模塊中的激光光源發(fā)出波長(zhǎng)為620 nm的激光，經(jīng)過(guò)斬波器和準(zhǔn)直透鏡組后從發(fā)射窗口出射后，由于受到空氣中氣溶膠粒子的影響，會(huì)發(fā)生散射、吸收等光學(xué)效應(yīng)，使得光束到達(dá)接收端后會(huì)發(fā)生一定的衰減。這種衰減與大氣消光系數(shù)有關(guān)，大氣能見(jiàn)度通過(guò)公式可以用消光系數(shù)求得。光束到達(dá)光學(xué)接收模塊后，由接收透鏡組匯聚，經(jīng)過(guò)濾光片將其他波長(zhǎng)的光進(jìn)行衰減，由光檢測(cè)器探測(cè)并且將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳至后端處理。儀器控制模塊主要有控制電源、自動(dòng)光功率控制電路和光源驅(qū)動(dòng)電路等組成，主要用于整個(gè)系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)處理模塊由信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊等組成，在接收到由光檢測(cè)器傳來(lái)的電信號(hào)后，將信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，再傳至數(shù)據(jù)處理進(jìn)行計(jì)算，最后將測(cè)量結(jié)果在顯示模塊顯示。由于光學(xué)鏡頭極易受到空氣灰塵等的污染，光學(xué)發(fā)射單元和光學(xué)接收單元都安裝有窗口鏡用于防護(hù)。

2 定標(biāo)原理

近些年來(lái)，世界氣象組織(WMO)建議使用氣象光學(xué)距離(MOR)為核心來(lái)闡述能見(jiàn)度的觀測(cè)[5]。氣象光學(xué)距離是指由白熾燈發(fā)出的色溫為2 700 K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所經(jīng)過(guò)的距離[6]：

(1)

式中：σ為消光系數(shù)；ε為視覺(jué)對(duì)比閾值，根據(jù)國(guó)際氣象組織的規(guī)定，ε=0.05[7]。

由Lambert-Bouguer定律，平行光在大氣中的衰減可表示為：

T=e-σL

(2)

式中：T為透過(guò)率；L為基線長(zhǎng)度。

若令C=-ln0.05，結(jié)合式(1)和式(2)可得消光系數(shù)和大氣能見(jiàn)度之間的關(guān)系為：

(3)

在能見(jiàn)度校準(zhǔn)時(shí)，若給定校準(zhǔn)時(shí)的能見(jiàn)度真值為M0，那么校準(zhǔn)時(shí)大氣的透射率因子真值為：

(4)

若校準(zhǔn)時(shí)給定的能見(jiàn)度標(biāo)準(zhǔn)值為M1，則可以得到實(shí)際校準(zhǔn)時(shí)的透射率因子標(biāo)準(zhǔn)值為：

(5)

綜上，由式(4)和式(5)可得校準(zhǔn)后透射因子的偏差比例系數(shù)為：

(6)

校準(zhǔn)完成后，在實(shí)際測(cè)量能見(jiàn)度真值為M的能見(jiàn)度時(shí)，由于校準(zhǔn)時(shí)給定的標(biāo)準(zhǔn)值的誤差，相應(yīng)的透射因子也會(huì)存在一定比例的誤差，則實(shí)際測(cè)量的透射因子為：

(7)

由式(2)和式(7)可得測(cè)得的大氣消光系數(shù)為：

(8)

由式(1)和式(8)可得測(cè)得的能見(jiàn)度為：

(9)

根據(jù)誤差理論，測(cè)量誤差為:

(10)

令校準(zhǔn)誤差為：

(11)

則：

(12)

3 定標(biāo)方法及流程

大氣能見(jiàn)度測(cè)量的定標(biāo)是選擇不同透過(guò)率的3個(gè)濾光片來(lái)模擬不同能見(jiàn)度條件下的測(cè)量結(jié)果。如圖2所示，定標(biāo)裝置由定標(biāo)圓盤(pán)、支撐桿和基座組成。定標(biāo)圓盤(pán)有4個(gè)檔位，其傳動(dòng)通過(guò)手動(dòng)控制，正常測(cè)量時(shí)采用檔位0。檔位1、2、3分別放置透過(guò)率為0.9、0.5和0.1的濾光片用于儀器定標(biāo)。

圖2 定標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，選擇天氣情況良好、能見(jiàn)度較好的時(shí)候，先使系統(tǒng)正常工作半小時(shí)以上，首先調(diào)至檔位1，輸入給定的標(biāo)準(zhǔn)值，待能見(jiàn)度示數(shù)穩(wěn)定后更換另一檔位，重復(fù)操作直至3個(gè)檔位定標(biāo)完成。定標(biāo)完成時(shí)，定標(biāo)裝置會(huì)被移動(dòng)到觀測(cè)站中，正常測(cè)量時(shí)不會(huì)用到。大氣能見(jiàn)度的定標(biāo)需要得到一個(gè)用于定標(biāo)的能見(jiàn)度真值，通常由專門的氣象人員給出。本文定標(biāo)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于人工旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)盤(pán)自動(dòng)完成校準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單，并且能見(jiàn)度校準(zhǔn)系統(tǒng)詢問(wèn)是否校標(biāo)的指標(biāo)即為測(cè)量的能見(jiàn)度，因此校準(zhǔn)的條件有保證。另外，本文測(cè)量?jī)x器的定標(biāo)裝置不需要專門人員來(lái)維護(hù)。

圖3為能見(jiàn)度定標(biāo)流程圖，其中校準(zhǔn)閾值R0與校準(zhǔn)值的穩(wěn)定閾值a均由人為設(shè)定。目前，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及國(guó)外生產(chǎn)廠家的建議，大多要求R0在10 km～15 km。查詢到校準(zhǔn)在對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的±10%以內(nèi)時(shí)，即可認(rèn)為完成相應(yīng)透過(guò)率點(diǎn)的校準(zhǔn)。

圖3 定標(biāo)流程圖

4 測(cè)量結(jié)果和比較

定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，使用3個(gè)定標(biāo)檔位：20∶00～21∶00使用檔位1，其校準(zhǔn)鏡片透過(guò)率為0.9；21∶00～22∶00使用檔位2，其校準(zhǔn)鏡透過(guò)率為0.5；22∶00～23∶00使用檔位3，其校準(zhǔn)鏡片透過(guò)率為0.1。能見(jiàn)度的定標(biāo)結(jié)果顯示在圖4中。圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)為大氣能見(jiàn)度，單位是km。如圖4所示，檔位1的相對(duì)偏差σ1=2%，檔位2的相對(duì)偏差σ2=1.9%，檔位3的相對(duì)偏差σ3=1.7%。由于3個(gè)檔位的相對(duì)偏差均在標(biāo)準(zhǔn)值的10%以內(nèi)，校準(zhǔn)完成。

圖4 定標(biāo)結(jié)果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種大氣能見(jiàn)度光電測(cè)量系統(tǒng)半自動(dòng)定標(biāo)方法，避免了傳統(tǒng)透射儀定標(biāo)時(shí)人工替換校準(zhǔn)片的繁瑣步驟，具有操作簡(jiǎn)單、校準(zhǔn)條件有保證等特點(diǎn)。本文首先從大氣能見(jiàn)度定標(biāo)原理出發(fā)，從理論上研究了大氣能見(jiàn)度定標(biāo)方法。然后根據(jù)定標(biāo)原理設(shè)計(jì)了定標(biāo)方案，并制定了定標(biāo)流程。最后進(jìn)行了大氣能見(jiàn)度定標(biāo)試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。定標(biāo)結(jié)果表明本文定標(biāo)系統(tǒng)定標(biāo)結(jié)果相對(duì)偏差較小，能夠完成透射式能見(jiàn)度儀的定標(biāo)。