一种大气能见度和湍流强度同步测量光学系统

高 鹏，韩 永

(1.中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101；2.南京大学，江苏 南京 210093)

0 引 言

大气能见度测量技术的研究始于1957年，Koshmieder定律的建立为研究大气能见度测量技术奠定了基础[4]。大气能见度的测量方式主要有2种，分别是前向散射式和透射式。前向散射式能见度仪具有体积小、重量轻、成本低等优点，但是测量误差比较大[5]。透射式能见度仪通过测量大气透过率来得到能见度的值，测量精度比较高，但是现有透射式能见度仪并未考虑大气流场对能见度测量的影响，可能存在测量偏差。目前国产前向散射式能见度仪已在我国一些气象部门使用；我国最早研制出的透射式能见度仪是长春气象仪器研究所研制的TS型投透射仪。尽管如此，我国大部分气象部门、机场以及交通道路上所使用的仍然是国外研制的能见度探测仪器。芬兰VAISALA公司研制的LT31透射仪是国际上最具代表性的、普遍应用于我国的机场和气象站[6-7]。

对于大气湍流的研究，已有近半个世纪的历史。1977年，Wang等人利用较大非相干光学发射和接收系统测量出大气折射率结构常数Cn2[8]。1999年，Muschinski等人通过分析风廓线雷达垂直方向上的返回信号的功率谱，得到了当地大气折射率结构常数的垂直结构[9]。2001年，Mitev等人研究了接收端激光光束截面图像的饱和度，测得了大气湍流强度[10]。2005年，周孟莲等人使用AMK-02型超声波大气参数综合测量仪也测量得到了大气折射率结构常数Cn2[11]。2007年，Sun等人基于薄光束在大气中传播的理论研究出了测量大气湍流外尺度参数信息的新方法[12]。2015年，袁仁民等人利用大孔径闪烁仪研究出了测量城市表层大气折射率结构参数虚部的新方法[3]。

然而，现有的常规仪器忽略了湍流气团和气溶胶粒子之间的相互影响，其测量结果可能存在偏差[13]。一方面大气湍流带动气溶胶粒子运动，另一方面气溶胶粒子也拖曳湍流气团的运动，它们之间的伴随与跟随、迟滞与阻碍、拖曳与被拖曳之间的关系使得我们在探测大气能见度(消光系数)和大气湍流特征时，应该同时考虑它们之间的相互作用，这也是研究、监测和预报污染物扩散分布中的重要环节。为了克服这一不足，准确测量大气能见度和湍流强度，本文研究了一种大气能见度和湍流强度同步测量光学系统(AVTOM)，同步获取大气能见度和大气湍流强度。

1 测量原理

1.1 大气能见度测量原理

大气能见度由大气消光系数决定，通常通过测量消光系数来求得大气能见度[14]。气象光学距离(MOR)是指由白炽灯发出的色温为2 700 K的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度，世界气象组织(WMO)建议采用这个物理参量来阐述能见度的观测[15]。

按照布格-朗伯定律，平行光在大气中的衰减可以表示为：

F=F0e-σL

(1)

式中：F为接收光通量；F0为初始光通量；σ为消光系数；L为基线长度。

如果用RMO表示气象光学距离，即光通量衰减至5%所经过的距离：

3.抗风险的能力较差。有相当部分规模猪场，由于对市场开拓不够，产品质量不高，其经济效益受到影响。同时规模猪场面临着农村养猪户和国外现代化养猪场的双重夹击，日后竞争将趋炽热化。随着我国经济社会的不断发展，人民生活水平逐渐提高，同时也加大了劳动力成本和饲料成本，有资料分析，玉米涨10%，猪肉涨5.3%，大豆涨10%，猪肉涨7.8%。因此，必须在财务上，在管理、技术、生产和市场方面增加抗风险的能力。

(2)

式中：ε为视觉对比阈值，根据国际气象组织的规定，ε=0.05[16]。

根据公式(2)，大气能见度的大小只和大气消光系数有关。因此，精确探测消光系数可以提高大气能见度测量结果的准确性。消光系数由公式(3)决定[17-18]：

(3)

式中：P为光检测器探测到的光功率；P0为光源的发射功率；D为接收端的口径；L为基线长度；θ为光源的发散角；k为常数，由仪器校准结果决定。

因为P0、D、L和θ均为常数，因而可以获得大气消光系数：

(4)

1.2 大气湍流强度测量原理

根据光传输理论，波长为λ的球面波经过大气湍流进行传播，如果以I表示光强，则在传播距离L处，直径为D的孔径内接收的对数光强起伏方差为[19]：

(5)

式中：k为光波数，k=2π/λ；K为空间波数；γ为球面波的传播因子，γ=z/L；Φn(K)为折射率起伏的空间谱密度，可表示为:

(6)

F(K)=

(7)

(8)

式中：〈〉表示统计平均。

综上，可推出大气折射率结构常数测量的原理公式：

(9)

式中：光波数k、基线长L、接收孔径D均已给定。

(10)

2 设计方案

本文探测系统采用双端式探测方式，分为发射端和接收端。图1是系统工作示意图，光束由LED光源发出，经过斩波器调制频率，再经过准直镜头进行准直后从发射端出射。光束在大气中传播时，由于气溶胶粒子以及湍流气团的影响，发生散射、吸收、闪烁、漂移和扩展等光学效应。光束到达接收端之后，由接收端聚焦透镜组会聚至光检测器上进行光电转换，将光信号转化为电压信号输出。再经过A/D转换送至PC端进行数据处理，根据公式计算得到大气能见度和湍流强度测量结果。图中激光器1和2分别发出波长为650 nm和532 nm的光束，用于发射端和接收端辅助对准。发射端和接收端都安装窗口镜，可以防止内部光学系统受到污染。本文测量系统中，发射端和接收端之间的基线长度L设为30 m。

图1 系统工作示意图

2.1 发射端

发射端模块包括光源、信号源、斩波器、光源驱动电路、激光辅助对准设备和温控模块等部分。图2为发射端结构示意图。在本系统中，LED光源选择Cree公司的暖白光源，中心波长620 nm。世界气象组织推荐使用宽光谱光源测量能见度，因为使用窄光谱光源会导致在某些天气现象下产生测量误差。而臭氧对波长620 nm的光吸收比较微弱，可以让气溶胶成为光衰减的主要原因，降低臭氧的干扰。信号源和斩波器的作用主要是将光源调制为固定频率光信号输出，本系统中光源的输出频率为10 kHz。光源调制为高频率输出，可以增加探测大气湍流强度的准确性。光源驱动电路主要用来给光源供电。

图2 发射端结构示意图

2.2 接收端

接收模块包括光检测器、放大器、滤波器、A/D转换模块等部分。图3为接收端结构示意图。接收模块中的光检测器选择光电倍增管，用于将接收到的光信号转化为电信号。光电倍增管具有较高的灵敏度，其响应速度快、频率响应高，并且具有较大的工作电流。放大器由晶体管、电源变压器等元器件组成，主要作用是将光电倍增管输出的电压信号进行放大处理。滤波器用于将信号频率以外的噪声信号滤除，提高信噪比。A/D转换模块的作用是将电信号转化为数字信号传输至后端工控机进行数据处理。

图3 接收端结构示意图

3 测量结果和比较

图4表示由AVTOM夏季测量得到的大气能见度和大气折射率结构常数的结果。由图4可知，在22∶24测得大气能见度最小值为4.02 km，在23∶19测得大气能见度最大值为5.99 km。大气能见度测量结果集中在4～6 km之间。大气折射率结构常数的测量结果主要集中在10-13m-2/3和10-12m-2/3之间。有研究发现，靠近地面的大气折射率结构常数的值一般在10-14m-2/3和10-13m-2/3之间[22]。

图4 AVTOM测量结果

使用OSI OWI-430能见度仪和CAST3A三维超声风速仪对大气能见度和大气湍流强度进行同步观测实验，并将测量结果与AVTOM测量结果相比较。OSI OWI-430能见度仪是前向散射能见度仪，由美国研制，可以测量大气能见度、降水强度和状态等。这台仪器每分钟测量一次数据，它测量范围是1～10 000 m，测量精度是10%～15%，工作温度是-40～+50 ℃。CAST3A是三维超声风速仪，主要用于测量风速、风向和大气湍流强度。

图5显示了AVTOM和OSI OWI-430测量结果的比较，X轴表示时间，Y轴表示能见度，输出结果的时间间隔为1 min。由图5可知，对于大气能见度的测量而言，AVTOM和OSI OWI-430的测量结果均为4 km和6 km之间，它们的相对偏差为4.7%。

图5 AVTOM和OSI OWI-430的结果对比

图6显示了AVTOM和CAST3A测量结果的比较。X轴表示时间，Y轴表示大气折射率强度。输出结果的时间间隔为30 min，由图6可知，对于大气折射率结构常数而言，AVTOM和CAST3A的测量结果均为10-13～10-12m-2/3，并且它们平均值的相对偏差为3.5%。

图6 AVTOM和CAST3A的结果对比

4 结 论

本文提出了一种大气能见度和湍流强度同步测量光学系统，采用透射式测量方式，分别利用消光原理和光强起伏原理测量这2个气象参数。本文首先从大气能见度和湍流强度测量原理出发，理论研究了大气能见度和湍流强度同步测量系统的可行性。其次根据测量原理进行了系统的总体方案设计。最后，进行了实验和对比，对测量的数据结果进行了分析和比较。比较结果表明，AVTOM所测大气能见度的结果与OSI OWI-430前向散射能见度仪测量结果的相对偏差为4.7%；AVTOM所测大气折射率结构常数的结果与CAST3A三维超声风速仪测量结果的相对偏差为3.5%。下一步将根据测量结果研究这两者的内在联系，从而减小由于其相互影响造成的测量误差。