基于Si4432散射式大氣低能見度儀的設計方案

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，數據傳輸方式基本還是以有線傳輸為主，沒有有線通訊網絡建設的地方就難以方便地架設，造成預警盲點區(qū)域較多，需要依賴基礎建設方面的投入。因此，針對現有問題，應用新技術設計一種低成本、低功耗、擴展兼容性好、能夠靈活接入到現有智能交通監(jiān)測網絡的低能見度預警檢測前端設備。

2.能見度的測量理論

根據氣象能見度的定義，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，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Bouguer-Lambert定律：

式中， F 是在大氣中經過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。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)為白天能見度的基本計算公式。Koschmiedir定律是確定天白能見度的理論基礎，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，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Koschmiedir定律，只要測得大氣消光系數σ ,就可以計算得到能見度，可見消光系數σ 是測量能見度的關鍵。前向散射式能見度測量儀器就是通過從適當的角度測量散射光強度來計算消光系數，進而獲得能見度。其原理主要基于三個假設前提：

(1)大氣均質，大氣內影響能見度的各種顆粒是均勻分布的，即消光系數σ 為常數。該假設是所有能見度測量儀器的設計基礎，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，也就是說大氣分子沒有吸收或分子內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