技术文章

　　什么是能见度？
 

　　能见度的定义是正常视力的观测者观测目标物时，能从背景上分辨出视角大于0.5°的目标物轮廓的大消失距离。夜间能见度的定义是正常视力的观测者在夜间能看到一定发光强度目标灯灯光的消失距离。能见度的测量在航空、航海、高速路等交通安全领域、气象观测、防火防灾领域和大气污染研究方面均具有重大意义。能见度测量的结果决定了机场、港口和高速路的开放和关闭，是各类运输装备适航性、环境污染研究的要素。
 

　　能见度仪的种类及测试原理
 

　　长期以来，能见度观测主要靠人工目测，其主观性强、测量误差较大。随着光电仪器的快速发展，人工目测逐渐被全天候的能见度检测仪替代，目前普遍应用的能见度检测仪从测量原理上分，主要有透射式和散射式两大类。
 

　　1、透射式能见度仪
 

　　利用光在大气中传播受到的直接衰减原理, 将大气对光的吸收、反射、散射等都作为衰减, 以厚度等于“基线”长度的气柱为样本，采用测量基线气柱的平均消光(透射)比，从而得出大气能见度和烟雾浓度。原理图如下所示：
 

 

　　依据Koschmieder定律和Bouguer-Lambert定律，可求出能见度VR：
 

　　为光源发射功率，为光线经长度气柱衰减后的接收功率，为基线长度，指光源到接收器探头之间的光程。
 

　　2、散射式能见度仪
 

　　通过测量大气气溶胶粒子的散射系数(忽略气溶胶对光的吸收因素)求得大气能见度。具有占地空间小，使用方便，在气象、交通等领域得到广泛应用。
 

　　前向散射式能见度仪是目前使用数量多的散射式能见度仪，它的工作测量原理是：仪器的发射端发出光辐射，对采样空间的大气进行照射，大气样本中的气溶胶粒子对光辐射产生散射，通过测量特定角度上的散射光强，并根据其与总散射量之间的关系确定总散射系数。由于气溶胶对光的吸收系数相对较小，忽略不计，利用总散射系数可以求得能见度。前向散射式能见度仪原理图如下所示：
 

 

 

　　透射能见度仪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范围，L不能太短，因此透射仪的占地面积较大；2 ) 发光源的功率不能太小，因此设备体积较大，同时光功率的不稳定性也会严重影响到 测量精度；3) 光学系统价格非常高，对准困难，而且由于收发端的距离较远，标定也存在困难，导致测量误差； 4) 透射仪对光源污染非常敏感；5) 在雨天、雾天等能见度低的气象条件下，水气吸收等复杂的情况会引起非常大的误差[1]。
 

　　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。
 

　　如下图所示[2]，为两种仪器分别在雾、雨、雪条件下测量偏差分布曲线。
 

 

　　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*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。
 

　　能见度仪发展现状
 

　　国外散射式能见度仪的生产厂家主要有德国的Impulsphysik公司，美国的TSI公司、Belfort公司，英国的Biral公司，美国的Belfort公司、芬兰的VAISALA等，这些公司的产品被广泛应用在高速公路、机场港口等。我国研发生产能见度仪的公司以洛阳凯迈公司为主导，在国内多个城市得到推广应用，另外还有锦州阳光科技发展有限公司、四川鼎林信息技术有限公司等。
 

 

　　透射式能见度仪的国内生产厂家包括：成都虹岳科技有限公司、北京欧亚中兴科技有限公司、四川鼎林信息技术有限公司、锦州阳光科技发展公司、上海成盈光电科技有限公司、上海忠赫仪器有限公司、北京东目仪器有限公司、上海硕冠检测设备有限公司、上海勋飞机电设备有限公司等。
 

　　国外生产厂家：BELFFORT公司、维萨拉公司(Vaisala)公司、VICOTEC公司、Tint Meter公司、EDTM公司等。
 

　　能见度仪主要检测方法
 

　　2010年9月，中国气象局综合观测司颁布了《前向散射能见度仪观测规范(试行)》，里面给出了散射式能见度仪的实验室和现场校准。现场用标准设备与被校设备比对做校准，用到的标准设备主要为校准过的透射仪。实验室利用标准设备或标准设备标定的散射体对仪器进行校准，该校准方法实质上只实现了散射系数的校准，并没有从能见度仪的原理出发，解决忽略大气吸收带来的误差问题。中国气象局气象探测中心利用空军装备研究院航空气象防化研究所大气环境实验舱可模拟低能见度环境，用于前向散射能见度仪的静态试验，该实验舱内部空间为10m(长)×2m(宽)×2.5m(高)。中国气象局上海物资管理处建立了能见度计量检定实验室，实验室内部净空间20m(长)×3.5m(宽)×3m(高)，使用超声波起雾方式模拟能见度变化的试验环境。
 

　　透射式能见度仪的检测方法主要是：使用光谱平坦、具有不同透光率的中性滤光片组为主标准器。配套标准器包括激光测距仪、照度计、热电型激光小功率计和光学调节装置来实现检测。
 

　　总结
 

　　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[3]。因此在制定能见度仪的检测方法是也应该按照其原理的不同采用不同的检测装置为宜。
 

　　参考文献：
 

　　[1] 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.
 

　　[2]蔡琴，透射式和前散射式能见度仪性能的分析，成都工业学院学报，2014，17(4)：40-42
 

　　[3] JAROMIEC M，LUX，Madey R，Avnir D. Fractal surface analysis by using nitrogen adsorption data: the case of the capillary condensation regime[J]. J Chem. Phys.，1990 ( 92) : 7589