透射式和前散射式能见度仪性能的分析

蔡 琴*

(成都工业学院 电气与电子工程系，成都 611730)

随着中国经济的高速发展，大气污染越来越严重，能见度作为大气污染程度的一个重要指标，引起了人们的广泛关注，能见度的测报应用于气象部门的天气分析，也应用于高速公路、航空、航海等交通运输场［1］。能见度测量仪器按其测量的原理，分为透射式、散射式和照相式［2］。本文拟探讨各种能见度仪测量机理及国内外典型能见度仪的发展现状。

1 能见度测量仪器测量基础

大气能见度V是指视力正常的人在当时的天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认出目标物(黑色、大小适中)的最大距离［1］。能见度是一种复杂的大气光学现象。为了描述各种因素对大气能见度的综合影响，提出了大气消光系数σ的概念。σ是指光波在传输过程中由于大气对光辐射的吸收、散射所引起的能量衰减，其中气溶胶吸收和散射是衰减的主要因素。

Koschmieder定律［3］是确定白天目标物能见度的基础，对于以水平天空为背景的黑体目标物，视觉对比度C随着距离L的变化规律为:C=e－σL。假如目标物体恰好可见，说明C正好达到眼睛的对比阈值ε。正常人眼睛的视觉对比阀值 ε=0.02或0.05，气象观测时通常取 ε =0.05。此时，L 即为大气能见度 V，则 Koschmieder定律也可表示为:ε=e－σL或 V= － ln ε/σ =3.912/σ。因此，能见度测量仪器是通过测量σ值从而确定能见度的。

2 能见度测量仪器

长期以来，能见度观测主要靠人工目测，但该方法主观性强，测量误差较大。随着气象、交通、环境检测领域的飞速发展，人工目测逐渐被24 h全天候能见度仪代替。

2.1 透射式能见度仪

透射式能见度仪是根据光辐射在大气传输中的透射比来进行测量，基线的两端分别放置了发射器和接收器，测量光辐射在大气样本中的透过率，来换算σ，从而反演出V。

透射法收发端分离，检测传播过程中因大气微粒消光作用衰减后的光强，其光学原理如图1所示。

图1 透射仪的光学原理图

为了获取具有代表性的σ，发光源宜采用白色LED灯，测量基线为发射机和接收机之间的距离L，测出平行光束通过2点间的投射率，就可以计算出对应的V值。设计选取L为20～75 m。

美国的 Novalynx公司生产的 8330、日本的Meisei公司生产的 BGL、芬兰 Vsisala公司生产的LT31，都属于透射式能见度仪。

2.2 散射式能见度仪

光通过大气时会引起消光效应，通过散射光强计算出消光效应，就能确定V值，大气长度足够小这一特点说明测量散射光不需要基线［4］，而且是单端设备，散射式能见度仪按照散射角度的不同，可分为后向散射仪、前向散射仪、测向散射仪。

图2 后向散射法原理图

图2所示的后向散射法中，接收器放置在发射光源的同端，照射在阴影部分取样空间上的光被气溶胶等微粒散射，接收器就能接收到后向散射光，能见度越高则空气中的微粒越少，散射光弱;反之若能见度低空气中的微粒多，则散射光强。

图3为前向散射法原理图，光接收器置于光源的另一侧，接收器与发射光的散射角一般为20～50°，收发两端距离则为1～1.5 m，此距离即为测量空间。发射、接收与测量空间结构紧凑，外来干扰小。目前市面上以前向散射仪居多，如美国Belfort公司的6230A型、Model 600，芬兰Vsisala的FD12P，中国洛阳凯迈有限公司的CJY-2B。

图3 前向散射法原理图

2.3 数字摄像法能见度仪

数字摄像法是测量白天大气能见度的特殊方法。它用照相机拍摄黑色目标物，然后设法通过图片求得目标物与背景的相对亮度比，以此推算V值。国内外学者对数字摄像法进行了深入探究，但在夜间能见度测量时，仍有很多无法解决的问题，测量误差非常大，因此还没有成熟的产品投入使用。表1列出了国内外典型能见度仪的参数表，能见度仪的发展正朝着智能化、系统化、市场化发展。

表1 国内外典型能见度测量仪器

3 能见度测量技术比较

3.1 主流能见度测量仪优缺点对比

从表1可知，国内外典型的能见度仪以透射仪和前散射仪为主。透射法直接探测大气的透过率或消光系数，具有测量精度高、采样体积大、接收信号强、能见度低时检测性能好等优点。但它也存在一些缺点:1)为保证测量的准确度和测量

3.2 透射仪和前散射仪低能见度下数据对比

前向散射仪具有安装方便、结构紧凑、体积小、成本低的优点，但其测量原理有先天不足:1)采样空间小，代表性稍差;2)定标比较困难，计算公式的反演较繁琐;3)在雨、雾和沙尘暴等能见度较低条件下对散射粒子的尺寸很敏感，多次散射效应也影响其探测的可靠性。因此，其测量数据有较大误差，其测量精度、可靠性、稳定性远远低于大气透射仪。对于欧美等发达国家，空气污染很小，散射式的误差修正较为简易;但对于污染较严重的地区，散射式的误差修正难以满足精度要求。

图4 2种仪器在降雾、降雨、降雪条件下测量偏差分布曲线

为对比分析透射仪和前散射仪的性能，我们选取了雾、雨、雪3种明显影响能见度的天气现象做2种设备的对比分析。图4(a)为降雾条件下2种仪器测量偏差的分布曲线，测量值选取50～1 500 m的19个点，可以看出:降雾条件下，前散射仪的测量值比大气透射仪总体偏高。MOR值＜300 m时，两者测值图偏差最小，主要集中在150 m附近;MOR在300～600 m之间时，两者测量偏差较大;MOR在700～1 500 m时两者测值偏差最大，＞440 m，整体呈增大趋势。图4(b)为降雨条件下测量偏差的分布曲线，测量值选取700～1 500 m区间的9个样本点，从曲线上看:在降雨条件下，前散射仪的测量值比大气透射仪的测量值总体偏高，且偏高明显;MOR在700～1 500 m之间时，两者测值偏差＞600 m，整体呈增大趋势。图4(c)为降雪条件下测量偏差的分布曲线，测量值选取500～1 500 m区间的11个点，从曲线上看:在雪影响能见度条件下，前散射仪的测量值比大气透射仪的测量值总体偏高，相对雾和雨条件下居中。MOR在500～900时两者测量偏差＜600 m;在1000～1 500 m时两者测值偏差＞600 m，整体呈增大趋势。综上可知:在雾条件下，两者的偏差最小;在雪条件下两者的偏差较大;在雨条件下两者的偏差最大。以大气透射仪测量基准MOR取700 m为例，三者的偏差量分别为442，617，633 m，这与不同粒子的散射特性有关［5］。

2种仪器能见度测量值出现偏差的原因是:1)2种仪器本身的特性、测量原理不同;2)天气变化的过程是非均匀的;3)前散射仪测量得采样空间非常小，不能够完全代表当地能见度，因此在低能见度条件下，前散射仪的准确率和分辨率等指标与透射仪还有一定差距。芬兰的Vaisala公司为解决前向散射仪在特殊天气条件下测量值误差较大的问题，在前散射仪上加装了天气识别装置，在判断天气状况后，通过应用不同的数学模型解决测量偏差的问题。

3.3 透射仪和前散射仪主要应用场所对比

不存在能满足所有用户需求的能见度仪。在高能见度情况下前向散射仪测试数据与实际误差较小，表现较好，加之安装调整方便、成本低，因此广泛应用于气象及部分交通部门;透射仪对低能见度的测量精度高于散射式仪器，其有效测量范围虽短但已可满足一般需要，因此透射仪适用于各个领域，但因其价格昂贵，通常被应用于精度要求很高的气象、航空、高速交通领域。世界气象组织(WMO)为了评定各个厂家能见度仪测量性能的好坏进行的大规模能见度仪器比对也是以Vaisala的透射仪为标准［6］。

4 结语

研究大气能见度的核心是Koschmieder定律，它是各种能见度仪器研制的理论基础;大气消光系数σ是计算大气能见度V的关键;透射式能见度仪和前向散射仪是应用最为广泛的能见度仪。为进一步提高能见度仪的整体水平，应该多开展一些仪器对比试验，进而改进能见度仪器［2］，使得能见度仪器的发展越来越趋于智能化、系统化和市场化。

［1］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.

［2］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(2):144-150.

［3］傅刚，李晓岚，魏娜.大气能见度研究［J］.中国电力教育中国海洋大学学报，2009，39(5):855-862.

［4］孙慧洁.能见度测量仪器综述［J］.气象水文海洋仪器，1994(1):32-40.

［5］田丽.大气透射仪与前散射仪在低能见度条件下的测量数据对比分析［J］.气象水文海洋仪器，2009(3):46-49.

［6］卫超.散射式能见度测量仪的动态特性研究及装置设计［D］.南京:南京信息工程大学，2012.

［7］叶青，蔡长.单端收发的道路能见度检测方法初探［J］.计算机测量与控制，2003，11(2):92-95.

［8］王艳斌.双光路对称式能见度测量技术的研究［D］.西安:西安电子科技大学，2009.

［9］赵力，万晓正，齐勇.多次反射法透射式能见度测量系统研究［J］.山东科学，2011，24(6):67-70.

［10］符荣鑫，郑玉峰，聂梦松，等.基于透射法的空气能见度测量［J］.实验技术与管理，2013，30(11):76-78.

［11］邓可，胡建平.基于红外散射原理的能见度仪设计［J］.测控技术，2004，23(2):19-21.

［12］李屹，朱文婷.基于数字摄像技术的能见度检测［J］.现代电子技术，2012，35(20):95-97.

［13］施德恒，刘新建，黄国庆，等.一种透射式跑道能见度激光测量仪研究［J］.激光技术，2003，27(5):419-422.

［14］叶青.道路能见度监测方法的比较和研究［J］.传感器技术，2004(5):74-76.

［15］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(3):10-13.

［16］梁佳.基于DSP高速公路能见度测量系统的研究［D］.西安:长安大学，2007.