肖韶榮，尚國慶，周 佳，徐 猛，吳群勇

（1.南京信息工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，江蘇 南京210044；2.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044）

引言

隨著社會的發(fā)展，能見度對于現(xiàn)代人們生產(chǎn)生活的影響越來越大，尤其是在低能見度情況下，航海、航空以及陸上交通將受到嚴(yán)重影響［1］，容易發(fā)生重大事故。同時，能見度還是表征大氣污染程度的關(guān)鍵物理量，及時準(zhǔn)確地測量能見度具有重要意義。

早期，能見度是通過人眼觀測得到的，由于受到觀測者主觀因素的影響，因而存在較大的觀測誤差。自從Koschmieder于1924年建立了大氣水平能見度測量的基本理論之后，國外開始致力于能見度相關(guān)儀器的研究與制造。當(dāng)前不論是透射式還是散射式能見度儀器，基本都使用單色光作為探測光源。由于不同的波長的光在大氣中的衰減系數(shù)不同，而利用Koschmieder公式時通常使用550nm波長的光作為基準(zhǔn)波長［2-3］，所以當(dāng)使用其他波長的光測量能見度時，需要對Koschmieder公式進行修正，通常使用經(jīng)驗公式計算能見度。在實際應(yīng)用中，能見度測量儀使用的探測光由于受到系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，波長會在一定的光譜范圍內(nèi)漂移。本文從現(xiàn)有經(jīng)驗公式的定義出發(fā)，根據(jù)實驗測得的不同波長的氣溶膠透過率計算各個波長下的大氣消光系數(shù)，分析研究探測光漂移對于能見度測量結(jié)果的影響。

1 能見度測量原理

廣義而言，大氣能見度是指視力正常的人，在當(dāng)時天氣條件下能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)黑色、大小適中的目標(biāo)物的最大水平距離。世界氣象組織于1957年提出用大氣透明度對能見度進行衡量，用氣象光學(xué)視程表示，并定義為“白熾燈在色溫2 700K時發(fā)出的平行光束，光通量在大氣中衰減至初始值的5%時所經(jīng)過的路徑長度”。能見度是一個復(fù)雜的物理量，它主要取決于由氣溶膠引起的大氣消光系數(shù)σ。大氣消光系數(shù)的主要影響因素有空氣中氣體分子和懸浮微粒的吸收和散射，在可見光和近紅外波段，除去個別波長，大氣對光輻射的吸收作用很小，可以忽略不計［4］。又因為分子的散射遠小于微粒的散射作用，所以，在可見光與近紅外波段，微粒的散射是大氣消光的最主要因素［5-6］。另外，能見度測量值還取決于觀測人員的視覺對比閾值ε，即人眼能將目標(biāo)從背景中分辨出來的最小亮度比。

對于以水平天空為背景的黑色目標(biāo)物，在假定大氣均勻的情況下，大氣消光系數(shù)σ為常數(shù)，由Koschmieder定律，大氣能見度V的表達式為

視覺對比閾值因人而異，通常白天人眼視覺的平均閾值ε為0.02。根據(jù)Bouguer-Lambert定律［7-8］可以得到大氣消光系數(shù)σ：

式中：I0為探測光入射光強；I為探測光傳輸距離為L的長度后的衰減光強；L稱為基線長度。

由于不同波長的光在大氣氣溶膠中的透過率不同，Koschmieder定律，僅適用于波長λ＝550 nm時的情況，對于其他波長，使用Koschmieder定律時需要對其進行修正。目前可以借鑒的經(jīng)驗公式為［9］

式中q的值如表1所示。

表1 不同天氣下的q值Table 1 qvalues under different weathers

2 探測波長漂移對能見度測量誤差的影響

由于受到環(huán)境溫度、電路穩(wěn)定性等因素影響，能見度測量儀探測光會在中心波長λ的Δλ范圍內(nèi)漂移。對于同一個大氣環(huán)境，不同的波長測得的大氣消光系數(shù)σλ不同，即σλ是探測波長λ的函數(shù)。探測光中心波長的漂移，會引起大氣消光系數(shù)波動，因此波長的漂移將影響能見度的測量結(jié)果。對（3）式求微分可以得到由于探測波長漂移引起的能見度測量波動范圍的關(guān)系式：

此時，q＝1.6、1.3和0.21。將（4）式與（3）式相比得到能見度測量值的相對誤差：

當(dāng)q＝0.585V1／3時，（3）式是一個超越方程，兩邊取對數(shù)后再求微分得：

將（6）式與（3）式相比得到此時能見度相對誤差：

由（5）式和（7）式可得，由探測波長漂移引起的能見度測量相對誤差與修正系數(shù)q、波長漂移范圍Δλ、探測光中心波長λ、波長漂移范圍Δλ引起的大氣消光系數(shù)變化值σλ以及光源中心波長λ測得的大氣消光系數(shù)σλ有關(guān)。

3 實驗及結(jié)果分析

設(shè)計的光路如圖1所示。鹵鎢燈放在凸透鏡a的焦點處，燈光經(jīng)過透鏡后同時存在部分平行光和部分發(fā)散光，再經(jīng)過光闌a后去除了絕大部分發(fā)散光，剩余的平行光經(jīng)過氣溶膠容器和光闌b進一步去除發(fā)散光后，通過凸透鏡b匯聚到達光纖光譜儀接收到端面。使用光纖光譜儀分別測量400nm～1 100nm波長范圍內(nèi)環(huán)境背景光強分布Ib，未通入氣溶膠時的鹵鎢燈光強分布Im以及通入直徑1μm～5μm的人工霧氣溶膠后鹵鎢燈的光強分布In后，光纖光譜儀根據(jù)式計算后直接得到不同波長下的光譜透過率τλ數(shù)值并存儲到計算機中，如圖2所示。氣溶膠容器長度為1m，根據(jù)（2）式可以得到不同波長下的大氣消光系數(shù)，如圖3所示。在同一個環(huán)境中，不同波長測得的消光系數(shù)不同，這是由氣溶膠消光特性決定的。根據(jù)Koschmieder經(jīng)驗公式，此時修正系數(shù)q＝0.21。給定探測光的中心波長λ，可以計算能見度測量相對誤差與不同波長漂移范圍Δλ的關(guān)系。如圖4所示，能見度測量相對誤差隨著波長漂移范圍Δλ增大而增大，而且是近似線性變化。因此，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小波長漂移范圍Δλ的值可以明顯提高能見度測量的準(zhǔn)確性。

圖1 光路設(shè)計示意圖Fig.1 Schematic of light path design

圖2 透過率與波長的關(guān)系Fig.2 Relation between transmittance and wavelength

圖3 不同波長的消光系數(shù)Fig.3 Extinction coefficients of different wavelengths

圖4 能見度相對誤差與波長漂移的關(guān)系Fig.4 Relation between relative error of visbility and wavelength drift

給定波長漂移范圍Δλ的值，可以求出探測波長與能見度測量相對誤差的關(guān)系。如圖5所示，對于相同的波長漂移范圍，使用不同的探測波長產(chǎn)生的能見度測量相對誤差不同。在波長750nm和1 000nm處，由于探測波長漂移所引起的能見度相對誤差較?。辉诓ㄩL550nm和850nm處，探測波長漂移所引起的能見度相對誤差較大。隨著波長漂移范圍的增大，各個波長的能見度測量相對誤差線性增大的速率也不同。在波長750nm和1 000nm處，隨著波長漂移范圍增大，能見度相對誤差線性增大的速率較小，即能見度相對誤差對波長漂移范圍不敏感；在波長550nm和850nm處，能見度相對誤差線性增大的速率較大，能見度相對誤差對波長漂移范圍較為敏感。因此，在霧天氣時，選擇750nm和1 000nm波長附近的光作為探測光，可以減小由于波長漂移所引起的能見度相對誤差。其他大氣環(huán)境下，可以使用同樣的方法分析研究探測波長漂移對能見度測量相對誤差的影響。

圖5 能見度相對誤差與波長的關(guān)系Fig.5 Relation between relative error of visibility and wavelength

4 結(jié)論

能見度測量儀的探測光的漂移會引起能見度測量誤差。相對誤差隨著波長的漂移范圍近似線性變化。隨著波長漂移范圍的增大，各個波長的能見度測量相對誤差線性增大的速率也不同。對于相同的波長漂移范圍，使用不同的探測波長產(chǎn)生的能見度測量相對誤差不同。大霧環(huán)境下，在波長750nm和1 000nm處，由于探測波長漂移所引起的能見度相對誤差較小，且能見度相對誤差對波長漂移范圍不敏感。因此，對于某一大氣環(huán)境，使用特定波長而且中心波長穩(wěn)定的光作為探測光可以明顯減小由于探測光漂移引起的能見度測量相對誤差。對于其他大氣環(huán)境，可以使用同樣的方法進行分析研究。

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