基于Si4432散射式大氣低能見(jiàn)度儀的設計方案

1.引言

近年來(lái)我國大氣環(huán)境污染日益嚴重，能見(jiàn)度作為主要氣象環(huán)境參數之一，在天氣變化、大氣污染狀況和渾濁程度等方面有著(zhù)重要的環(huán)境監測意義，同時(shí)也在高速公路、航海、航空等交通運輸以及軍事等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

目前能見(jiàn)度檢測儀器主要有以下兩個(gè)方面特點(diǎn)：一是目前公路交通、海港、機場(chǎng)等場(chǎng)所使用的能見(jiàn)度檢測儀器基本上均為國外產(chǎn)品，一臺動(dòng)輒過(guò)十萬(wàn)的高昂價(jià)格限制了應用規模，往往適用于大區域的天氣性能見(jiàn)度測量，難以覆蓋到“團霧”

多發(fā)的局部小范圍區域，存在預警檢測盲點(diǎn);二是現有的能見(jiàn)度檢測儀器更注重測量精度，功能方面則較為單一，擴展兼容性差，數據傳輸方式基本還是以有線(xiàn)傳輸為主，沒(méi)有有線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )建設的地方就難以方便地架設，造成預警盲點(diǎn)區域較多，需要依賴(lài)基礎建設方面的投入。因此，針對現有問(wèn)題，應用新技術(shù)設計一種低成本、低功耗、擴展兼容性好、能夠靈活接入到現有智能交通監測網(wǎng)絡(luò )的低能見(jiàn)度預警檢測前端設備。

2.能見(jiàn)度的測量理論

根據氣象能見(jiàn)度的定義，白天和夜晚能見(jiàn)度的概念有顯著(zhù)的差異。首先，白天能見(jiàn)度是以晴朗無(wú)云的天空為背景，而夜晚的觀(guān)測背景是較黑的夜空;其次，二者的目標物也有區別，白天為黑色物體，夜晚則為燈光，屬于點(diǎn)光源。所以白天和夜晚能見(jiàn)度測量依據的是不同的理論，分別為Koschmiedir“大氣光”亮度傳輸公式和Allard的大氣燈光照度傳輸公式。夜間能見(jiàn)度受影響的因素更多，測量過(guò)程遠比白天能見(jiàn)度復雜，計算誤差也更大。事實(shí)上，出于一致性和簡(jiǎn)易性考慮，目前大部分的能見(jiàn)度測量?jì)x器主要以Koschmiedir定律作為基本的理論依據，儀器測量出的能見(jiàn)度值對于白天具有實(shí)際價(jià)值，基本上等同于白天的實(shí)際能見(jiàn)度，而對于夜晚僅具有物理意義，但作為參考對夜間行車(chē)間距和車(chē)速等行業(yè)應用仍具有指導作用。

2.1 能見(jiàn)度的計算公式

Koschmiedir定律可由能見(jiàn)度測量的基本方程Bouguer-Lambert定律推導出，根據Bouguer-Lambert定律：

式中， F 是在大氣中經(jīng)過(guò)x路徑長(cháng)度接受的光通量， 0 F 是在x=0時(shí)的光通量，σ 為消光系數。求導可得：

雖然Bouguer-Lambert定律針對的僅是單一光譜，但作為近似，對光譜通量同樣適用。透射因數為：

式(5)即為Koschmiedir定律，式(6)為白天能見(jiàn)度的基本計算公式。Koschmiedir定律是確定天白能見(jiàn)度的理論基礎，反映的是假定消光系數為常數，也就是大氣處于均勻狀態(tài)時(shí)，對于以水平天空為背景的黑色目標物，大氣的透明程度以及目標物對于背景的對比度隨距離變化的規律。由該定律可知，只要測得消光系數σ ,就可計算得到能見(jiàn)度值。

氣象觀(guān)測上，通常取視覺(jué)閥值ε =0.02,而大氣光學(xué)視程(MOR)定義ε =0.05,代入式(5)，可得到氣象能見(jiàn)度和MOR的值：

航空業(yè)出于飛行安全考慮，通常推薦選用較高的視覺(jué)閥值ε =0.05,采用該值計算得到的能見(jiàn)度更為嚴格，更接近行業(yè)的實(shí)際需要。而高速公路等要求高安全性的應用領(lǐng)域也常常以該視覺(jué)閥值作為參考。因此式(8)是最常用的白天能見(jiàn)度的基本計算公式。本文研究研究測量的能見(jiàn)度就是MOR.

2.2 前向散射式能見(jiàn)度測量原理

根據Koschmiedir定律，只要測得大氣消光系數σ ,就可以計算得到能見(jiàn)度，可見(jiàn)消光系數σ 是測量能見(jiàn)度的關(guān)鍵。前向散射式能見(jiàn)度測量?jì)x器就是通過(guò)從適當的角度測量散射光強度來(lái)計算消光系數，進(jìn)而獲得能見(jiàn)度。其原理主要基于三個(gè)假設前提：

(1)大氣均質(zhì)，大氣內影響能見(jiàn)度的各種顆粒是均勻分布的，即消光系數σ 為常數。該假設是所有能見(jiàn)度測量?jì)x器的設計基礎，無(wú)論是采用何種方式測量能見(jiàn)度，都是用有限空間的被測樣本代表相對較大范圍的大氣狀態(tài)，不可能包括所有的大氣顆粒。由于大氣中顆粒狀態(tài)變化是大范圍而且相對較為緩慢過(guò)程，在一定尺度空間范圍，可以認為呈均質(zhì)狀態(tài)。

(2)大氣消光系數σ 等于大氣中霧、霾、雨和雪的散射系數，也就是說(shuō)大氣分子沒(méi)有吸收或分子內部沒(méi)有交互光學(xué)效應，可以忽略大氣對光的吸收作用。用A表示大氣的