基于Si4432散射式大氣低能見度儀的設(shè)計方案

1.引言

近年來我國大氣環(huán)境污染日益嚴重，能見度作為主要氣象環(huán)境參數(shù)之一，在天氣變化、大氣污染狀況和渾濁程度等方面有著重要的環(huán)境監(jiān)測意義，同時也在高速公路、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。

目前能見度檢測儀器主要有以下兩個方面特點：一是目前公路交通、海港、機場等場所使用的能見度檢測儀器基本上均為國外產(chǎn)品，一臺動輒過十萬的高昂價格限制了應用規(guī)模，往往適用于大區(qū)域的天氣性能見度測量，難以覆蓋到“團霧”

多發(fā)的局部小范圍區(qū)域，存在預警檢測盲點;二是現(xiàn)有的能見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(shù)據(jù)傳輸方式基本還是以有線傳輸為主，沒有有線通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的地方就難以方便地架設(shè)，造成預警盲點區(qū)域較多，需要依賴基礎(chǔ)建設(shè)方面的投入。因此，針對現(xiàn)有問題，應用新技術(shù)設(shè)計一種低成本、低功耗、擴展兼容性好、能夠靈活接入到現(xiàn)有智能交通監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的低能見度預警檢測前端設(shè)備。

2.能見度的測量理論

根據(jù)氣象能見度的定義，白天和夜晚能見度的概念有顯著的差異。首先，白天能見度是以晴朗無云的天空為背景，而夜晚的觀測背景是較黑的夜空;其次，二者的目標物也有區(qū)別，白天為黑色物體，夜晚則為燈光，屬于點光源。所以白天和夜晚能見度測量依據(jù)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。夜間能見度受影響的因素更多，測量過程遠比白天能見度復雜，計算誤差也更大。事實上，出于一致性和簡易性考慮，目前大部分的能見度測量儀器主要以Koschmiedir定律作為基本的理論依據(jù)，儀器測量出的能見度值對于白天具有實際價值，基本上等同于白天的實際能見度，而對于夜晚僅具有物理意義，但作為參考對夜間行車間距和車速等行業(yè)應用仍具有指導作用。

2.1 能見度的計算公式

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

式中， F 是在大氣中經(jīng)過x路徑長度接受的光通量， 0 F 是在x=0時的光通量，σ 為消光系數(shù)。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(shù)為：

式(5)即為Koschmiedir定律，式(6)為白天能見度的基本計算公式。Koschmiedir定律是確定天白能見度的理論基礎(chǔ)，反映的是假定消光系數(shù)為常數(shù)，也就是大氣處于均勻狀態(tài)時，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(guī)律。由該定律可知，只要測得消光系數(shù)σ ,就可計算得到能見度值。

氣象觀測上，通常取視覺閥值ε =0.02,而大氣光學視程(MOR)定義ε =0.05,代入式(5)，可得到氣象能見度和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閥值ε =0.05,采用該值計算得到的能見度更為嚴格，更接近行業(yè)的實際需要。而高速公路等要求高安全性的應用領(lǐng)域也常常以該視覺閥值作為參考。因此式(8)是最常用的白天能見度的基本計算公式。本文研究研究測量的能見度就是MOR.

2.2 前向散射式能見度測量原理

根據(jù)Koschmiedir定律，只要測得大氣消光系數(shù)σ ,就可以計算得到能見度，可見消光系數(shù)σ 是測量能見度的關(guān)鍵。前向散射式能見度測量儀器就是通過從適當?shù)慕嵌葴y量散射光強度來計算消光系數(shù)，進而獲得能見度。其原理主要基于三個假設(shè)前提：

(1)大氣均質(zhì)，大氣內(nèi)影響能見度的各種顆粒是均勻分布的，即消光系數(shù)σ 為常數(shù)。該假設(shè)是所有能見度測量儀器的設(shè)計基礎(chǔ)，無論是采用何種方式測量能見度，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(shù)σ 等于大氣中霧、霾、雨和雪的散射系數(shù)，也就是說大氣分子沒有吸收或分子內(nèi)部沒有交互光學效應，可以忽略大氣對光的吸收作用。用A表示大氣的