一種大氣能見度光電測量系統(tǒng)半自動定標方法

李兵艦，楊 帆

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

大氣能見度是重要的氣象因素，對公路交通、航空航海、水文、森林、機場等地的氣象監(jiān)測都有著一定的影響。自1957年Koshmieder定律建立以來，各種大氣能見度儀應(yīng)運而生，大量投入到實際應(yīng)用中[1]。目前國際上的大氣能見度儀器主要有透射式能見度儀、前向散射式能見度儀、激光雷達等。

常規(guī)的能見度儀定標方法有工作母機傳遞法、標準儀器標校法和自我標校法。工作母機傳遞法是先由專業(yè)的能見度觀測員提供當(dāng)前能見度的真實值，再依照此真實值選擇一臺性能穩(wěn)定、測量精度高的能見度儀作為工作母機進行定標，然后再通過工作母機提供的能見度實時測量數(shù)據(jù)對能見度儀器進行實時定標。該方法的缺點在于很難保證工作母機自身的測量精度，另外也存在著較大的人為因素產(chǎn)生的誤差。使用此方法給能見度儀定標的廠家以洛陽凱邁測控有限公司為代表，其生產(chǎn)的CJY-1C型前向散射式能見度儀對能見度的監(jiān)測較為穩(wěn)定，常用于我國的民用機場和高速公路上[2]。使用標準儀器標校法定標的代表儀器是錦州陽光氣象有限公司的NJD-1型前向散射式能見度儀。該定標方法使用堵光板模擬高能見度的測量，使用校準板模擬低能見度的情況，并且一般在高能見度和低能見度處抽查。此方法的不足之處為用于校準的散射標準器基于散射儀制作，所測的能見度數(shù)據(jù)和真實值之間存在轉(zhuǎn)換誤差。自我標校法的使用以芬蘭VAISALA公司為代表，該公司的LT31型透射式能見度儀廣泛應(yīng)用于我國的機場等地，其集成了透射儀和散射儀[3]。由于透射儀測量低能見度時精度較高，而散射儀測量高能見度時有較好的測量精度，在定標時二者可以互為對方提供標校數(shù)據(jù)。該方法存在的問題是當(dāng)透射儀或散射儀自身測量基準存在偏差時，再用于給對方標校就會出現(xiàn)誤差，并且散射儀測量精度本來就低于透射儀，用散射儀給透射儀定標本來就有不合理之處。

目前國際上透射儀的定標大都采用人工外掛校準片的方法進行[4]。但是這種定標方法難以保證校準精度，容易受到人為因素的影響而造成誤差，并且定標操作麻煩，維護成本高。為了克服這些問題，本文為所設(shè)計的能見度光電測量系統(tǒng)專門提出了一套半自動定標系統(tǒng)用于儀器定標。

1 光電測量系統(tǒng)

本文的大氣能見度光電測量系統(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。樣機采用雙端式探測方式，發(fā)射端和接收端分開放置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)在外場工作時，光學(xué)發(fā)射模塊中的激光光源發(fā)出波長為620 nm的激光，經(jīng)過斬波器和準直透鏡組后從發(fā)射窗口出射后，由于受到空氣中氣溶膠粒子的影響，會發(fā)生散射、吸收等光學(xué)效應(yīng)，使得光束到達接收端后會發(fā)生一定的衰減。這種衰減與大氣消光系數(shù)有關(guān)，大氣能見度通過公式可以用消光系數(shù)求得。光束到達光學(xué)接收模塊后，由接收透鏡組匯聚，經(jīng)過濾光片將其他波長的光進行衰減，由光檢測器探測并且將光信號轉(zhuǎn)化為電信號傳至后端處理。儀器控制模塊主要有控制電源、自動光功率控制電路和光源驅(qū)動電路等組成，主要用于整個系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)處理模塊由信號處理、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊等組成，在接收到由光檢測器傳來的電信號后，將信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，再傳至數(shù)據(jù)處理進行計算，最后將測量結(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。

2 定標原理

近些年來，世界氣象組織(WMO)建議使用氣象光學(xué)距離(MOR)為核心來闡述能見度的觀測[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)過的距離[6]：

(1)

式中：σ為消光系數(shù)；ε為視覺對比閾值，根據(jù)國際氣象組織的規(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為透過率；L為基線長度。

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

(3)

在能見度校準時，若給定校準時的能見度真值為M0，那么校準時大氣的透射率因子真值為：

(4)

若校準時給定的能見度標準值為M1，則可以得到實際校準時的透射率因子標準值為：

(5)

綜上，由式(4)和式(5)可得校準后透射因子的偏差比例系數(shù)為：

(6)

校準完成后，在實際測量能見度真值為M的能見度時，由于校準時給定的標準值的誤差，相應(yīng)的透射因子也會存在一定比例的誤差，則實際測量的透射因子為：

(7)

由式(2)和式(7)可得測得的大氣消光系數(shù)為：

(8)

由式(1)和式(8)可得測得的能見度為：

(9)

根據(jù)誤差理論，測量誤差為:

(10)

令校準誤差為：

(11)

則：

(12)

3 定標方法及流程

大氣能見度測量的定標是選擇不同透過率的3個濾光片來模擬不同能見度條件下的測量結(jié)果。如圖2所示，定標裝置由定標圓盤、支撐桿和基座組成。定標圓盤有4個檔位，其傳動通過手動控制，正常測量時采用檔位0。檔位1、2、3分別放置透過率為0.9、0.5和0.1的濾光片用于儀器定標。

圖2 定標系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)校準時，選擇天氣情況良好、能見度較好的時候，先使系統(tǒng)正常工作半小時以上，首先調(diào)至檔位1，輸入給定的標準值，待能見度示數(shù)穩(wěn)定后更換另一檔位，重復(fù)操作直至3個檔位定標完成。定標完成時，定標裝置會被移動到觀測站中，正常測量時不會用到。大氣能見度的定標需要得到一個用于定標的能見度真值，通常由專門的氣象人員給出。本文定標系統(tǒng)的優(yōu)點在于人工旋轉(zhuǎn)校準盤自動完成校準，操作簡單，并且能見度校準系統(tǒng)詢問是否校標的指標即為測量的能見度，因此校準的條件有保證。另外，本文測量儀器的定標裝置不需要專門人員來維護。

圖3為能見度定標流程圖，其中校準閾值R0與校準值的穩(wěn)定閾值a均由人為設(shè)定。目前，根據(jù)經(jīng)驗及國外生產(chǎn)廠家的建議，大多要求R0在10 km～15 km。查詢到校準在對應(yīng)標準值的±10%以內(nèi)時，即可認為完成相應(yīng)透過率點的校準。

圖3 定標流程圖

4 測量結(jié)果和比較

定標實驗中，使用3個定標檔位：20∶00～21∶00使用檔位1，其校準鏡片透過率為0.9；21∶00～22∶00使用檔位2，其校準鏡透過率為0.5；22∶00～23∶00使用檔位3，其校準鏡片透過率為0.1。能見度的定標結(jié)果顯示在圖4中。圖中橫坐標表示時間，縱坐標為大氣能見度，單位是km。如圖4所示，檔位1的相對偏差σ1=2%，檔位2的相對偏差σ2=1.9%，檔位3的相對偏差σ3=1.7%。由于3個檔位的相對偏差均在標準值的10%以內(nèi)，校準完成。

圖4 定標結(jié)果圖

5 結(jié)束語

本文提出了一種大氣能見度光電測量系統(tǒng)半自動定標方法，避免了傳統(tǒng)透射儀定標時人工替換校準片的繁瑣步驟，具有操作簡單、校準條件有保證等特點。本文首先從大氣能見度定標原理出發(fā)，從理論上研究了大氣能見度定標方法。然后根據(jù)定標原理設(shè)計了定標方案，并制定了定標流程。最后進行了大氣能見度定標試驗，并對測量結(jié)果進行了分析。定標結(jié)果表明本文定標系統(tǒng)定標結(jié)果相對偏差較小，能夠完成透射式能見度儀的定標。