基于Si4432散射式大氣低能見(jiàn)度儀的設(shè)計(jì)方案

1.引言

近年來(lái)我國(guó)大氣環(huán)境污染日益嚴(yán)重，能見(jiàn)度作為主要?dú)庀蟓h(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(cè)意義，同時(shí)也在高速公路、航海、航空等交通運(yùn)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(cè)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(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所使用的能見(jiàn)度檢測(cè)儀器基本上均為國(guó)外產(chǎn)品，一臺(tái)動(dòng)輒過(guò)十萬(wàn)的高昂價(jià)格限制了應(yīng)用規(guī)模，往往適用于大區(qū)域的天氣性能見(jiàn)度測(cè)量，難以覆蓋到“團(tuán)霧”

多發(fā)的局部小范圍區(qū)域，存在預(yù)警檢測(cè)盲點(diǎn);二是現(xiàn)有的能見(jiàn)度檢測(cè)儀器更注重測(cè)量精度，功能方面則較為單一，擴(kuò)展兼容性差，數(shù)據(jù)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(shè)的地方就難以方便地架設(shè)，造成預(yù)警盲點(diǎn)區(qū)域較多，需要依賴(lài)基礎(chǔ)建設(shè)方面的投入。因此，針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題，應(yīng)用新技術(shù)設(shè)計(jì)一種低成本、低功耗、擴(kuò)展兼容性好、能夠靈活接入到現(xiàn)有智能交通監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的低能見(jiàn)度預(yù)警檢測(cè)前端設(shè)備。

2.能見(jiàn)度的測(cè)量理論

根據(jù)氣象能見(jiàn)度的定義，白天和夜晚能見(jiàn)度的概念有顯著的差異。首先，白天能見(jiàn)度是以晴朗無(wú)云的天空為背景，而夜晚的觀測(cè)背景是較黑的夜空;其次，二者的目標(biāo)物也有區(qū)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(cè)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(jiàn)度受影響的因素更多，測(cè)量過(guò)程遠(yuǎn)比白天能見(jiàn)度復(fù)雜，計(jì)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(cè)量?jī)x器主要以Koschmiedir定律作為基本的理論依據(jù)，儀器測(cè)量出的能見(jiàn)度值對(duì)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(duì)于夜晚僅具有物理意義，但作為參考對(duì)夜間行車(chē)間距和車(chē)速等行業(yè)應(yīng)用仍具有指導(dǎo)作用。

2.1 能見(jiàn)度的計(jì)算公式

Koschmiedir定律可由能見(jiàn)度測(cè)量的基本方程Bouguer-Lambert定律推導(dǎo)出，根據(jù)Bouguer-Lambert定律：

式中， F 是在大氣中經(jīng)過(guò)x路徑長(zhǎng)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(shù)。求導(dǎo)可得：

雖然Bouguer-Lambert定律針對(duì)的僅是單一光譜，但作為近似，對(duì)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(jiàn)度的基本計(jì)算公式。Koschmiedir定律是確定天白能見(jiàn)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(shí)，對(duì)于以水平天空為背景的黑色目標(biāo)物，大氣的透明程度以及目標(biāo)物對(duì)于背景的對(duì)比度隨距離變化的規(guī)律。由該定律可知，只要測(cè)得消光系數(shù)σ ,就可計(jì)算得到能見(jiàn)度值。

氣象觀測(cè)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(jì)算得到的能見(jiàn)度更為嚴(yán)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(yīng)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(jì)算公式。本文研究研究測(cè)量的能見(jiàn)度就是MOR.

2.2 前向散射式能見(jiàn)度測(cè)量原理

根據(jù)Koschmiedir定律，只要測(cè)得大氣消光系數(shù)σ ,就可以計(jì)算得到能見(jiàn)度，可見(jiàn)消光系數(shù)σ 是測(cè)量能見(jiàn)度的關(guān)鍵。前向散射式能見(jiàn)度測(cè)量?jī)x器就是通過(guò)從適當(dāng)?shù)慕嵌葴y(cè)量散射光強(qiáng)度來(lái)計(jì)算消光系數(shù)，進(jìn)而獲得能見(jiàn)度。其原理主要基于三個(gè)假設(shè)前提：

(1)大氣均質(zhì)，大氣內(nèi)影響能見(jiàn)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(jiàn)度測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，無(wú)論是采用何種方式測(cè)量能見(jiàn)度，都是用有限空間的被測(cè)樣本代表相對(duì)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(duì)較為緩慢過(guò)程，在一定尺度空間范圍，可以認(rèn)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(shuō)大氣分子沒(méi)有吸收或分子內(nèi)部沒(méi)有交互光學(xué)效應(yīng)，可以忽略大氣對(duì)光的吸收作用。用A表示大氣的