能见度传感器中测量前向散射光强度检测方案(激光产品)

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大气与 环境光学学报JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND ENVIRONMENTAL OPTICSVol.11NNo.1July， 2006第1卷 第12006年7月 大 气 与 环 境 光 学 学 报601卷 前向散射型能见度仪的研制 程寅，陆亦怀，连翠华，王 缅，方武，陈军 (中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031) 摘 要： 前向散射能见度仪测量前向散射光强度，确定大气的消光系数，进而获得大气的能见度值。基于上述原理，考虑雾天大气散射特性，研制了一台前向散射能见度仪样机。通过样机室外雾天散射光强测量值与实地能见度值的比较，给出之间的修正计算公式。样机还在外场与国外同类仪器进行了实测数据对比实验。 关键词：大气光学；能见度仪；前向散射；雾天 中图分类号：P415.3+3 文献标识码：A 文献编号：1673-6141(2006)01-0059-05 Investigation on the Forward-scattering Visibility Sensor CHENG Yin， LU Yi-huai， LIAN Cui-hua，WANG Mian， FANG Wu， CHEN Jun (Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics， Chinese Academy Sciences， Heifei 230031， China) Abstract：t： The intensity of forward-scattered light is measured by the forward-scattering visibility sensor，which determines the extinction coefficient of the air， then the visibility can be obtained. Based on thedescribed principle and considering the characters of the light scattering in fog， a forward-scattering visibilitysensor is constructed. A modified calculation formula between the measured intensity and visibility is given bycomparing the intensity measured outside in fog and visibility recorded. Comparison test on the constructedvisibility and a foreign one is also carried out outside in fog. Key words： atmospheric optics； visibility sensor； forward-scattering； fog 1 引 言 能见度是气象观察的一个重要项目，它反映了当时大气的物理光学状态，提供天气参数信息，预示天气的变化；它还反映大气的浑浊程度，近地表的大气污染状况，有重要的环境监测意义；在机场航海高速公路上，以及气象台站上广泛使用能见度，能提供交通安全、空气污染和质量的重要信息. 目前，较为普遍的能见度测量仪有透射型和散射型，透射式能见度仪是基于光的透射率来确定能见度，其体积大、基线长、安装复杂、价格昂贵，难 以在高速公路以及气象部门普及。散射式能见度仪是根据大气微粒汉光的散射特性来确定能见度的，仪器成本低、安装方便、便于普及，所以其研制受到国内外专家和有关部门的重视见. 2 前向散射能见度仪测量原理及结构 2.1气象能见度 气象学上对能见度的定义是：标准视力的眼睛观察水平方向上，以天空为背景的黑体目标，能从 ( 收稿日期：2006-02-17； 修改日期：2006-04-04 ) ( 基金项目：863课题： “城市大气污染时空分布光学监测技术系统与示范”(2005AA641010)；重点基金 (NSFC-50534050) ) ( E-mail： c henyin@aiofm.ac.cn ) 背景上分辨出目标物轮廓的最大水平距离。人们在对能见度做出估计时，常因觉察、分辨能力、光源特性等差别而得到不同的结果。因此，能见度的任何目视估测往往带有主观性。为了客观地对能见度进行定义，反映不以人的视觉而变化的大气的光学特征， WMO(世界气象组织)于1957年提出用大气透明度对能见度进行衡量，用气象光学视程 (MOR)表示，并定义为“白炽灯在色温2700K时发出的平行光束，光通量在大气中衰减至初始值的5%时所经过的路径长度”，[2] 根据柯西密德(Koschmieder)定律3，以水平天空为背景的黑体目标物，目标物和背景视亮度的对比度可以表示为 即 式中，y为目标物和观察者之间的距离，Ee 为视觉对比阈值， o为大气水平消光系数。 由此，按世界气象组织规定，对于“气象光学视程”表示的大气能见度，视觉阈值取e=0.05，即 (3)式为仪器测量能见度的基本公式，若获得了大气消光系数0，就能得到能见度值。由于人眼对绿光(入=550 nm)最为敏感，该波长被用来作为测量能见度时的参考波长。 2.2测量信号与能见度的关系 大气消光系数o为散射系数K。与吸收系数Ka之和，而大气粒子吸收效应远比散射小，可以忽略不计4为 由(3)式可以得到 根据 Mie 散射理论[4]，大气散射光强I与散射系数K，的比值近似为常数5] 当取视觉阀值e=0.05，由(5)式得到 由于输出的测量信号S是散射光强Is经过电路放大N倍之后，其关系为 代入(7)式后得到 其中K=2.9963N，为常数。 2.3仪器的基本结构 前向散射能见度仪的光路简图如图1，发射器采用红外 LED 作为光源，发出的950 nm 近红外光照射到采样体，采样体内的大气粒子对光产生散射，位于发射器 (IR LED) 和接收器 (IR detector)同一平面的固定散射角(33°)的散射光束照射到光电探测器上，通过对探测器接收到的信号进行放大，进而测量到散射光的强度。 图1 前向散射能见度样机光路简图 Fig.l Optical scheme of the forward-scatteringvisibility sensor 根据图1光路图，我们研制的前向散射能见度仪样机框图如图2，由发射器、接收器、电源、控制电路等部分组成。由于在实际应用中，环境对测量有影响，各种背景光和杂散光，对分辨实际的散射光强测量有干扰，在电路设计时，对测量光采用2.3k的方波进行调制。测量中，给出的信号值是发射端发射红外光与关闭时的电信号之差，这样消除了背景光的影响。为了提高电路的抗干扰性，探测到的信号转化成频率的形式。电信号经处理后送至控制器的数据采集电路，经 CPU 计算得到大气能见度值，并通过 RS232 接口输出。 图2 样机框图 Fig.2 Block diagram of the visibility sensor 3 测量公式的修正 公式(9)适用于前向散射仪的理论计算，然而在实际应用中，须考虑对其进行修正。这是因为：1)采用的是近红外入=950 nm光源，而能见度测量的参考波长是入=550 nm， 对应这两个波长的消光系数不同，它们之间有固定的转换经验公式[6]；2)散射光在各散射角度上均有分配，尽管在雾天主要是大尺寸粒子引起的前向散射，但也存在小粒子，在红外光源下，它们会造成总散射光强的变化八. 为了获得能见度与样机的信号值之间较准确的换算关系式，在室外雾天进行了大量的实验：每天对合肥地区的实际能见度值通过气象局获得，每半小时提供一次合肥地区的实时能见度数据(小于10 km)， 而能见度仪样机可以进行实时的观测，输出测量电信号值。为了获得最佳的观测效果，对样机输出的是10 min 的平均信号值，并在软件中剔除了由电噪声引起的极端值。 通过合肥地区能见度与样机的总共69个采样值，对这些采样值进行了比较、拟合，得到如下曲线(图3)。分析该曲线的形状，其关系符合幂指数的表达形式，对其进行非线性拟合，得到以下公式 由(10)式，根据能见度仪测量到的散射光强信号S，便可以获得大气能见度值Ⅴ.这在样机中是经 CPU 计算得到大气能见度值，通过 RS232接口输出。 图3 信号值与能见度的拟合曲线 Fig.3 The fitting curve of visibility and signal 4 样机与芬兰 PWD22 能见度仪外场对比实验 2005年10月至12月，我们对样机进行了为期三个月的外场实验，直接测量输出大气能见度值；为了检验其准确性，在外场与芬兰 VAISALA公司的产品 PWD22 能见度仪(该仪器已经为高速公路及气象部门提供业务服务)进行对比实验，两台仪器被放置在室外相距 10m 的位置，以保证采样条件的一致性。 图4、图5给出具有代表性的两组对比实验数据，实验时间分别选在有雾和晴空的天气，仪器对能见度值进行对比测试，纵坐标是能见度数值，横坐标是采样点，对应是时间，每小时15个采样点，对所有的测试点都给予了保留。 图4 样机与 PWD22 测量结果的曲线对比(2005，12月13~15日) Fig.44Curve comparison of measured data from PWD22 and sample sensor(Dec 13~15，2005) 如图4所示，2005年12月13日至12月15日这几天始终有薄雾，能见度在14日中午有升高的趋势，但在下午起雾，直到次日上午6点雾增加到极值，能见度仅有100 m 左右。由于这几天总的 是气象条件不好，实际的能见度值很低，但样机与PWD22测量的能见度值的走势基本一致，实验数据经处理后显示良好的相关性[，如图6. 图5 样机与 PWD22 测量值的曲线对比(2005，12月17~18日) Fig.5)Curve comparison of measured data form PWD22 and sample sensor(Dec 17~18，2005) 第二组数据，我们是选择了从有雾到晴天的天气，进行对比实验， 2005年12月17日凌晨有薄雾，但从上午随着日照升高雾开始减小，能见度逐渐升高，如图5所示，在18日晚上，天气放晴，能见度达到近8000m， 在18凌晨又开始起雾，能见度值下降，两台仪器都体现了该趋势。 在这一组数据中可以看到，样机和 PWD22能见度仪的总的趋势一致，但在高能见度值的时候，样机的数据与 PWD22 相比就波动较大，特别在高能 见度值上数据较为分散。这是因为空气中粒子浓度低，散射光的强度弱，仪器的接收端接收的光信号弱，信噪比小造成。实验数据走势的一致性尚好，经处理后也显示好的相关性，如图7所示。 5 结 语 通过前向散射能见度样机在合肥地区雾天进行外场实验，对样机测量信号S 和实时能见度值V进行了数据拟合，得到了V=42a的修正计 图6 2005年12月13~15日测试数据相关性 Fig.6 Relativity of the measured data for samplesensor and PWD22 (Dec 12~15，2005) 图72005年12月17~18日测试数据相关性 Fig.7 Relativity of the measured data for samplesensor and PWD22 (Dec 17-18，2005) 算公式。样机与芬兰 VAISALA 公司的 PWD22 能见度仪还进行了外场对比试验，两台仪器测试数据呈现良好的相关性，表明该样机的设计原理及算法分析基本正确。本工作为进一步研制产品化的能见 ( 参考文献： ) ( [1] Zeng Shu’er， Wang Gaili. 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