臺(tái)宏達(dá)，莊子波，蔣立輝，孫東松

(1.中國(guó)民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026；3.中國(guó)民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院，天津 300300)

?

大氣透過(guò)率的多點(diǎn)移動(dòng)測(cè)量

臺(tái)宏達(dá)1,2，莊子波3，蔣立輝1*，孫東松2

(1.中國(guó)民航大學(xué) 空中交通管理學(xué)院，天津 300300；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026；3.中國(guó)民航大學(xué) 飛行技術(shù)學(xué)院，天津 300300)

考慮大氣透射儀的光源不穩(wěn)定性以及光學(xué)準(zhǔn)直及大氣環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化均會(huì)對(duì)其測(cè)量精度產(chǎn)生影響，本文在高精度導(dǎo)軌上設(shè)計(jì)了多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)，以便提高其大氣透過(guò)率及消光系數(shù)的測(cè)量精度。該系統(tǒng)采用可移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，運(yùn)用多點(diǎn)移動(dòng)測(cè)量的方式測(cè)量大氣透過(guò)率及消光系數(shù)?；诶碚摫容^了多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量方法與傳統(tǒng)大氣透射儀測(cè)量方法的測(cè)量精度，證明了該系統(tǒng)的測(cè)量精度高于傳統(tǒng)大氣透射儀。將該系統(tǒng)與經(jīng)過(guò)良好校正的Skopograph II型大氣透射儀在大氣環(huán)境模擬艙進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，兩套系統(tǒng)具有很好的相關(guān)性，91.93%的數(shù)據(jù)對(duì)偏差在10%以?xún)?nèi)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.985 7。在低能見(jiàn)度條件下，多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)大氣透射儀。得到的結(jié)果顯示：該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足大氣透過(guò)率和消光系數(shù)測(cè)量對(duì)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和一致性的要求。

大氣透射儀；大氣探測(cè);大氣透過(guò)率；消光系數(shù)；多點(diǎn)移動(dòng)測(cè)量

*Correspondingauthor,E-mail:lhjiang@cauc.edu.cn

1　引　言

能見(jiàn)度測(cè)量、自由光通信、紅外輻射測(cè)量、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)和激光導(dǎo)航等都必須考慮大氣對(duì)光傳輸?shù)挠绊?，大氣透過(guò)率是評(píng)價(jià)大氣中光傳輸衰減特性的重要參數(shù)[1-2]。大氣透射儀通過(guò)測(cè)量并計(jì)算接收光強(qiáng)與發(fā)射光強(qiáng)的比值，可以直接得到大氣透過(guò)率。與其他大氣透過(guò)率測(cè)量?jī)x器相比，大氣透射儀具有信噪比高、采樣空間大等優(yōu)點(diǎn)，且測(cè)量結(jié)果更為直接和準(zhǔn)確。由于符合民用航空對(duì)于能見(jiàn)度的高精度測(cè)量要求，大氣透射儀被廣泛應(yīng)用于民用航空領(lǐng)域[3]。

根據(jù)所測(cè)量的大氣透過(guò)率，大氣透射儀結(jié)合相應(yīng)的基線(xiàn)長(zhǎng)度(一般為15，30，50或75 m)可以計(jì)算消光系數(shù)和能見(jiàn)度[4]。大氣透射儀測(cè)量能見(jiàn)度的誤差由能見(jiàn)度、基線(xiàn)長(zhǎng)度和大氣透過(guò)率的測(cè)量誤差決定。前兩個(gè)因素造成的誤差是由測(cè)量原理決定的，與儀器本身的測(cè)量性能無(wú)關(guān)，所以大氣透射率的準(zhǔn)確測(cè)量是大氣透射儀準(zhǔn)確得到能見(jiàn)度的關(guān)鍵[5-6]。光源的強(qiáng)度漂移、波長(zhǎng)漂移、窗口污染以及干涉濾光片的透過(guò)率特性的溫漂變化等會(huì)導(dǎo)致接收光信號(hào)的微小變化，可引起大氣透射儀的測(cè)量精度超出要求范圍[7]。鑒于在測(cè)量精度和穩(wěn)定性、光學(xué)污染防護(hù)和對(duì)準(zhǔn)以及地基安裝等方面較高的技術(shù)要求，國(guó)內(nèi)至今尚無(wú)能夠進(jìn)行批量生產(chǎn)的大氣透射儀[8]。

Vaisala公司的大氣透射儀采用發(fā)射光強(qiáng)檢測(cè)和穩(wěn)定手段以及窗口污染偵測(cè)技術(shù)，部分解決了大氣透射率測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性問(wèn)題[9]。長(zhǎng)春氣象儀器研究所研制的TS型透射表[10]在防止透鏡表面結(jié)霜、精度校準(zhǔn)、部件壽命和光軸校準(zhǔn)等方面做了較多改進(jìn)。楊中秋等[5]研制了DT型大氣透射儀，采取了準(zhǔn)確定標(biāo)、分檔次處理信號(hào)、采用高分辨率轉(zhuǎn)化器和高性能元器件、恒溫等一系列的防護(hù)措施，以提升大氣透過(guò)率的測(cè)量精度。施德恒等[11]利用激光的相干特性及脈沖特性，采用濾波器及濾波算法和脈沖相干激光來(lái)減小系統(tǒng)的電干擾和光干擾，使用性能穩(wěn)定的光電二極管和Nd:YAG激光器來(lái)提升透過(guò)率的測(cè)量精度。肖韶榮等[3]通過(guò)改變加載到光源的調(diào)制信號(hào)的幅度，并選擇透過(guò)率固定的衰減片，擴(kuò)大了透射儀接收機(jī)輸入端的信號(hào)變化范圍，提升了大氣透過(guò)率和能見(jiàn)度的測(cè)量準(zhǔn)確性。程紹榮等[8]通過(guò)在大氣透射儀的發(fā)射端使用固定頻率的脈沖信號(hào)源調(diào)制光強(qiáng)信號(hào)，減小了信號(hào)源的頻率變化和幅度變化，采用自動(dòng)光功率控制電路輸出功率穩(wěn)定的光信號(hào)，在接收端使用PIN管等低噪聲和高穩(wěn)定性的器件和電路結(jié)構(gòu)，控制減小接收信號(hào)的電路輸出噪聲。王宗俐等[6]和趙力等[12]分別使用反射鏡和位移調(diào)節(jié)器對(duì)大氣透過(guò)率進(jìn)行差分測(cè)量，提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境污染能力和靈敏度。田林等[13]采用角反射器的單端透射式能見(jiàn)度測(cè)量方案，利用鎖相放大技術(shù)抑制噪聲，提高了大氣透過(guò)率的測(cè)量精度。

本文考慮了大氣透射儀的測(cè)量原理、誤差影響因素及上述文獻(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，從提高大氣透過(guò)率測(cè)量精度出發(fā)，設(shè)計(jì)了多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量方法，理論上降低了系統(tǒng)的硬件性能對(duì)大氣透射儀測(cè)量精度的影響，提高了大氣透過(guò)率的測(cè)量精度。然后設(shè)計(jì)了多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)，將激光發(fā)射端與光電接收端安裝在高精度滑軌上，降低了長(zhǎng)基線(xiàn)光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)準(zhǔn)直問(wèn)題的影響；在大氣透過(guò)率的測(cè)量處理上采用多點(diǎn)測(cè)量的方式，降低了光源不穩(wěn)定的影響，減小了測(cè)量系統(tǒng)誤差。該系統(tǒng)采用多點(diǎn)多次測(cè)量和最小二乘擬合的方式得到大氣消光系數(shù)，減小了環(huán)境變化對(duì)消光系數(shù)和能見(jiàn)度測(cè)量結(jié)果的影響。

2　多點(diǎn)移動(dòng)測(cè)量方法

2.1多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量

多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量方法通過(guò)測(cè)量不同距離處的大氣透過(guò)率，得到大氣透過(guò)率與基線(xiàn)長(zhǎng)度的關(guān)系數(shù)組，進(jìn)而得到精確的大氣透過(guò)率和大氣消光系數(shù)。

在多點(diǎn)移動(dòng)透過(guò)率測(cè)量過(guò)程中，首先將移動(dòng)接收端移動(dòng)至位置0點(diǎn)處，此時(shí)光從激光發(fā)射端發(fā)出后不經(jīng)過(guò)工作大氣，直接傳輸?shù)揭苿?dòng)接收端的光電探測(cè)器。令T0表示此時(shí)系統(tǒng)所產(chǎn)生的光能量的衰減，即由系統(tǒng)本身(不包含大氣衰減)所造成的光能衰減為：

T0=P(0)-Pr(0),

(1)

式中:P(0)表示初始狀態(tài)時(shí)激光發(fā)射端的發(fā)射功率;Pr(0)表示移動(dòng)接收端位于位置0點(diǎn)時(shí)光電探測(cè)器接收到的功率，此時(shí)的測(cè)量基線(xiàn)長(zhǎng)度為0。

移動(dòng)接收端每移動(dòng)5 m測(cè)量一次，共測(cè)量10個(gè)點(diǎn)，令P1(0)～Pn(0)表示移動(dòng)接收端在不同位置點(diǎn)處停留時(shí)，激光發(fā)射端的功率；Pr(1)～Pr(n)表示移動(dòng)接收端在不同位置點(diǎn)處停留時(shí)，移動(dòng)接收端接收到的功率，如圖1所示。

圖1　多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量示意圖Fig.1　Schematic diagram of multi-point mobile atmospheric transmittance measurement

當(dāng)接收端移動(dòng)到第1點(diǎn)時(shí)(5 m基線(xiàn)長(zhǎng)度)，光電探測(cè)器的測(cè)量值為Pr(1)，則有：

T1=P1(0)-Pr(1) ,

(2)

(3)

(4)

將式(1)代入式(4)可以得到：

(5)

可以認(rèn)為一次移動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，待測(cè)的大氣透過(guò)率保持均勻且不變，則移動(dòng)接收端在第1個(gè)測(cè)量點(diǎn)(5 m基線(xiàn)長(zhǎng)度)時(shí)的待測(cè)大氣透過(guò)率與第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)(測(cè)量基線(xiàn)長(zhǎng)度為5×n)時(shí)的待測(cè)大氣透過(guò)率是相同的。類(lèi)似式(5)，移動(dòng)接收端在第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)處測(cè)得的大氣透過(guò)率為：

(6)

式中:Pn(0)為移動(dòng)接收端在第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)(測(cè)量基線(xiàn)長(zhǎng)度為5×n)時(shí)激光發(fā)射端的發(fā)射功率，Pr(n)為移動(dòng)接收端在第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)處接收到的功率。根據(jù)式(6)，移動(dòng)透過(guò)率測(cè)量方法可以得到n組大氣透過(guò)率。

2.2大氣透過(guò)率測(cè)量精度比較

傳統(tǒng)的定基線(xiàn)大氣透射儀的大氣透過(guò)率對(duì)數(shù)的系統(tǒng)誤差為：

lnτ=lnP(r)-lnP(0)=-δ(λ)·r,

(7)

(8)

其中：ΔP(r)表示基線(xiàn)為r的大氣透射儀接收端的系統(tǒng)誤差，ΔP(0)表示大氣透射儀發(fā)射端的系統(tǒng)誤差。

多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量的大氣透過(guò)率對(duì)數(shù)的系統(tǒng)誤差為：

lnτ=lnP(0)+lnPr(n)-lnPn(0)-lnPr(0).

(9)

對(duì)式(9)取偏導(dǎo)可得到其透過(guò)率對(duì)數(shù)的系統(tǒng)誤差為：

(10)

若認(rèn)為在一次移動(dòng)測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)的測(cè)量為等精度測(cè)量，即ΔP(0)和ΔPn(0)均為激光器的系統(tǒng)誤差，用ΔP(0)表示;ΔPr(n)和ΔPr(0)均為光電探測(cè)器的系統(tǒng)誤差，用ΔP(r)表示，則公式(10)可以表示為：

(11)

比較式(11)與式(8)，將多點(diǎn)移動(dòng)透過(guò)率測(cè)量方法的大氣透過(guò)率對(duì)數(shù)誤差的接收端部分與定基線(xiàn)大氣透射儀的大氣透過(guò)率對(duì)數(shù)誤差的接收端部分相比，結(jié)果小于1，即：

(12)

同理，將多點(diǎn)移動(dòng)透過(guò)率測(cè)量方法的大氣透過(guò)率對(duì)數(shù)誤差的發(fā)射端部分與定基線(xiàn)大氣透射儀的大氣透過(guò)率對(duì)數(shù)誤差的發(fā)射端部分相比，結(jié)果遠(yuǎn)小于1，即：

(13)

因此，多點(diǎn)移動(dòng)透射式測(cè)量的大氣透過(guò)率對(duì)數(shù)的系統(tǒng)誤差明顯小于傳統(tǒng)定基線(xiàn)大氣透射儀測(cè)量的大氣透過(guò)率對(duì)數(shù)的系統(tǒng)誤差，多點(diǎn)透射式大氣透過(guò)率測(cè)量方法可以有效提高大氣透過(guò)率的測(cè)量精度。

2.3大氣消光系數(shù)計(jì)算

傳統(tǒng)的大氣透射儀通常采用單點(diǎn)多次平均的方式測(cè)量消光系數(shù)，降低測(cè)量的隨機(jī)誤差，其計(jì)算公式可展開(kāi)為：

(14)

使用多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量方法和線(xiàn)性擬合方法，可以同時(shí)降低系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，得到更為精確的大氣消光系數(shù)。

根據(jù)最小二乘法原理，使殘差平方和最小，即：

(15)

由于式(15)的二階偏導(dǎo)恒大于0，即：

(16)

因此，式(15)有極小值。令其一階偏導(dǎo)為0，可以得到系統(tǒng)所測(cè)量的大氣消光系數(shù)σ，即有：

(17)

(18)

可以看到，式(14)是式(18)中r為固定值時(shí)的特例，即多點(diǎn)透射式能見(jiàn)度測(cè)量系統(tǒng)與單點(diǎn)多次能見(jiàn)度測(cè)量系統(tǒng)從基本原理上是一致的，二者都可以降低隨機(jī)誤差。但如2.2所述，基于多點(diǎn)移動(dòng)并最小二乘法的消光系數(shù)測(cè)量方法在降低隨機(jī)誤差的同時(shí)，也降低了系統(tǒng)誤差，從而使消光系數(shù)和能見(jiàn)度的測(cè)量結(jié)果更具連續(xù)性，二者的連續(xù)變化過(guò)程能夠更好地體現(xiàn)大氣消光特性的變化。

3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量方法，建立了多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率和消光系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由激光發(fā)射端和移動(dòng)式接收端、高精密導(dǎo)軌、通信子系統(tǒng)及其他子系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2　多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率和消光系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.2　Schematic of multi-point mobile atmospheric transmittance and extinction coefficient measuremnt system

系統(tǒng)的光路部分主要由激光器、光學(xué)斬波器、鎖相放大器和收發(fā)透鏡組組成。激光經(jīng)擴(kuò)束透鏡和反射鏡組成的光路系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束、發(fā)散角壓縮及準(zhǔn)直后，沿導(dǎo)軌方向發(fā)射。光學(xué)斬波器放置于激光發(fā)射端，將連續(xù)光調(diào)制為脈沖光。斬波器的參考信號(hào)輸入到安裝于移動(dòng)式接收端的鎖相放大器參考通道中。透過(guò)大氣后激光光束由接收透鏡組接收，探測(cè)器的信號(hào)接入鎖相放大器的信號(hào)通道，進(jìn)行光能量的采集。系統(tǒng)主要部件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　系統(tǒng)主要部件參數(shù)

為了降低激光器能量波動(dòng)的影響，這里采用一路分光進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法，將監(jiān)測(cè)光束和測(cè)量光束分別由兩個(gè)同型號(hào)探測(cè)器接收。激光器出射光束經(jīng)過(guò)斬波器后分成兩路，大部分出射后作用于工作大氣，小部分反射后由透鏡匯聚到探測(cè)器表面進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)器的輸出信號(hào)接入鎖相放大器中，兩路接入信號(hào)進(jìn)行鎖相差分，得出的結(jié)果為兩個(gè)探測(cè)器探測(cè)到能量之差。

導(dǎo)軌由兩根長(zhǎng)55 m，間距為0.35 m的高精度鋼構(gòu)組成，移動(dòng)式接收端可在導(dǎo)軌上平穩(wěn)移動(dòng)。在導(dǎo)軌一側(cè)每隔5 m安裝感應(yīng)片，接近傳感器和感應(yīng)片組合的檢測(cè)方式可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式接收端的精確定位。以接近傳感器和感應(yīng)片的安裝誤差2 mm計(jì)算，當(dāng)測(cè)量基線(xiàn)長(zhǎng)度取5 m時(shí)，安裝誤差所造成的基線(xiàn)長(zhǎng)度偏差為0.04%，且該偏差隨著測(cè)量基線(xiàn)長(zhǎng)度的增大逐漸減小。

移動(dòng)式接收端裝有嵌入式工控機(jī)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接控制室服務(wù)器。服務(wù)器設(shè)置移動(dòng)式接收端系統(tǒng)參數(shù)，控制移動(dòng)式接收端工作，監(jiān)控工作狀態(tài)，收集并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)測(cè)量流程圖Fig.3　Flow chart of system measurement

4　數(shù)據(jù)對(duì)比

由于大氣透過(guò)率是大氣透射儀測(cè)量的重要中間量，而大氣透射儀常以能見(jiàn)度作為輸出結(jié)果，因此考慮數(shù)據(jù)的常見(jiàn)性，以系統(tǒng)輸出的能見(jiàn)度值進(jìn)行比對(duì)。

根據(jù)Koschmieder定律，結(jié)合WMO和ICAO的相關(guān)建議[14]，取人眼對(duì)比視覺(jué)閾值ε=0.05，大氣消光系數(shù)和能見(jiàn)度的關(guān)系為：

(19)

式中：V為能見(jiàn)度，δ為大氣消光系數(shù)。傳統(tǒng)大氣透射儀的V和δ由式(14)計(jì)算得到，多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)由式(18)計(jì)算得到。

中國(guó)民航大學(xué)大氣環(huán)境模擬艙配備完整的氣流循環(huán)系統(tǒng)、大容量超聲波霧化發(fā)生器以及煙霧、粉塵和黑碳?xì)馊苣z發(fā)生器，可使艙內(nèi)能見(jiàn)度條件在1.2 h內(nèi)從10 000 m下降到3 000 m以下，在5 h內(nèi)下降到的200 m以下，從而形成各類(lèi)霧、霾等均勻低能見(jiàn)度天氣，縮短實(shí)驗(yàn)測(cè)試周期。

Skopograph II型大氣透射儀的光源使用脈沖氙燈，可以測(cè)量大氣透過(guò)率并計(jì)算消光系數(shù)，能見(jiàn)度測(cè)量距離為7.5～3 000 m，平均采樣時(shí)間為1 min。在每天測(cè)試之前儀器均經(jīng)過(guò)了完整的鏡頭清潔及校正，測(cè)量基線(xiàn)設(shè)置為50 m。

圖4　大氣模擬艙實(shí)物圖Fig.4　Photo of atmosphere environment simulation chamber

圖5　移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)與Skopograph II型大透實(shí)物圖Fig.5　Photo of mobile measuring platform and Skopograph II transmissometer

將多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀同時(shí)放置于大氣環(huán)境模擬艙中，進(jìn)行能見(jiàn)度測(cè)量對(duì)比試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置圖分別如圖4和圖5所示。在每次試驗(yàn)時(shí)，大氣環(huán)境模擬艙使用ATM-241霧化氣溶膠發(fā)生器，配以NaCl及去離子水組成的溶劑持續(xù)向大氣環(huán)境模擬艙噴入氣溶膠粒子。多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)的移動(dòng)接收端的運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為0.4 m/s，每點(diǎn)停留時(shí)間設(shè)置為3 s，接收端每往返兩次做一次最小二乘擬合，從而得到大氣透過(guò)率、消光系數(shù)及所對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度值，一次完整的測(cè)量結(jié)果輸出時(shí)間約為10 min。Skopograph II型大氣透射儀的測(cè)量數(shù)據(jù)由3 000 m開(kāi)始發(fā)生改變時(shí)記錄數(shù)據(jù)，在一個(gè)月的測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，共得到能見(jiàn)度對(duì)比數(shù)據(jù)285組，各能見(jiàn)度區(qū)間的測(cè)量組數(shù)如表2所示，能見(jiàn)度對(duì)比偏差如表3所示。

表2　能見(jiàn)度區(qū)間數(shù)據(jù)組分布

表3　數(shù)據(jù)對(duì)比偏差分布

多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6所示。在圖6的3條斜線(xiàn)中，中間虛線(xiàn)為多點(diǎn)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀測(cè)量結(jié)果的等值線(xiàn)。兩條實(shí)斜線(xiàn)為兩種測(cè)量系統(tǒng)偏差10%以?xún)?nèi)的點(diǎn)的分布線(xiàn)。91.93%的測(cè)量結(jié)果位于10%的偏差分布線(xiàn)范圍以?xún)?nèi)。兩種儀器的測(cè)量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.985 7。

圖6　多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.6　Comparison of measuring results between multi-point atmospheric transmittance measurement system and Skopograph II transmissometer

圖7　大氣模擬艙內(nèi)一次對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.7　Data of one comparison experiment in atmosphere environment simulation chamber

圖7是大氣模擬艙內(nèi)一次對(duì)比試驗(yàn)中兩種測(cè)量?jī)x器的測(cè)量結(jié)果。在能見(jiàn)度由3 000 m降至200 m的過(guò)程中，多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)的能見(jiàn)度始終保持均勻變化，特別是在能見(jiàn)度值高于1 000 m時(shí)。與Skopograph II型大氣透射儀相比，基于最小二乘擬合方法，多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)在連續(xù)測(cè)量過(guò)程中同時(shí)減小了系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差，故其測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)性較小，更好地反映了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模擬艙內(nèi)能見(jiàn)度的連續(xù)變化趨勢(shì)。

5　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)了一種多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)，采用可移動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，運(yùn)用多點(diǎn)移動(dòng)測(cè)量的方法測(cè)量大氣透過(guò)率及消光系數(shù)。經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與誤差分析，該系統(tǒng)可以有效降低傳統(tǒng)定基線(xiàn)大氣透射儀的光學(xué)準(zhǔn)直度不穩(wěn)定、光源穩(wěn)定性波動(dòng)及環(huán)境變化等因素對(duì)大氣透過(guò)率及消光系數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響。該系統(tǒng)與Skopograph II型大氣透射儀在大氣環(huán)境模擬艙中進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，91.93%的測(cè)量結(jié)果位于10%的偏差分布線(xiàn)范圍以?xún)?nèi)，兩種儀器的測(cè)量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.985 7。多點(diǎn)移動(dòng)大氣透過(guò)率測(cè)量系統(tǒng)可以有效測(cè)量大氣透過(guò)率和消光系數(shù)，具有較好的準(zhǔn)確性、一致性和穩(wěn)定性。

[1]劉俊池,李洪文,王建立,等.中波紅外整層大氣透過(guò)率測(cè)量及誤差分析[J].光學(xué) 精密工程,2015,23(6): 1547-1557.

LIU J CH, LI H W, WANG J L,etal.. Measurement of mid-infrared total atmospheric transmittance and its error analysis[J].Opt.PrecisionEng., 2015, 23(6):1547-1557. (in Chinese)

[2]楊詞銀,張建萍,曹立華.基于大氣透過(guò)率比例校正的目標(biāo)輻射測(cè)量[J]. 光學(xué) 精密工程,2012,20(7): 1626-1635.

YANG C Y, ZHANG J P, CAO L H. Infrared radiation measurement based on proportional corrected atmospheric transmittance[J].Opt.PrecisionEng., 2012, 20(7):1626-1635. (in Chinese)

[3]王宗俐,曹乃鋒,王春錄.一種激光能見(jiàn)度儀設(shè)計(jì)的新方法[J]. 激光與紅外,2012,42(6): 629-632.WANG Z L, CAO N F, WANG CH L. New design of laser instrument for detecting the visibility[J].Laser&Infrared, 2012, 42(6):629-632. (in Chinese)

[4]肖韶榮,吳群勇,周佳,等.透射式能見(jiàn)度儀動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展方法[J].應(yīng)用光學(xué),2014,35(4): 574-579.

XIAO SH R, WU Q Y, ZHOU J,etal.. Method to extend dynamic range of transmittance meter[J].JournalofAppliedOptics, 2014, 35(4):574-579. (in Chinese)

[5]SECRETARIAT W M O.Guidetometerologicalinstrumentsandmethodsofobservation[S]. World Meteorological Organization, 2008.

[6]楊中秋,王慶安,牛利平,等.DT型大氣能見(jiàn)度記錄儀的研制和精度分析[J].氣象科學(xué),1990,10(1): 52-60.

YANG ZH Q, WANG Q A, NIU L P,etal.. Develope and accuracy analysis of DT atmospheric visibility recorder[J].JournaloftheMeteorologicalSciences, 1990, 10(1):52-60. (in Chinese)

[7]謝邦力,王青梅,李晶華.單基線(xiàn)雙光路透射表[C]. 中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì),2005: 245-255.

XIE B L, WANG Q M, LI J H. Single baseline double light path transmissometer[C].ChineseMeteorologicalSocietyAnnualMeeting, 2005:245-255. (in Chinese)

[8]程紹榮,魏全忠,呂軍.一種實(shí)用型大氣透射式能見(jiàn)度儀的研制[J].光電工程,2011,38(2): 144-150.

[9]ENGEL S, HEYN K. Measurement of atmoshperic transmission and determination of visual range:UK,2410795A[P]. 2005.

[10]孫耀東,李虹.TS型透射表現(xiàn)場(chǎng)使用中的技術(shù)問(wèn)題分析[J].氣象水文海洋儀器,1998(4):17-22.

SUN Y D, LI H. Technical problem analysis of TS transmissometer in field use[J].MeteorologicalHydrologicalandMarineInstrument, 1998(4):17-22. (in Chinese)

[11]施德恒,黃宜軍.透射式跑道能見(jiàn)度激光測(cè)量?jī)x的研究[J].光學(xué)技術(shù),1998(5):79-82.SHI D H, HUANG Y J. A study of the transmission laser detection instrument for runway visual range[J].OpticalTechnique, 1998(5):79-82. (in Chinese)

[12]趙力,萬(wàn)曉正,齊勇,等.多次反射法透射式能見(jiàn)度測(cè)量系統(tǒng)研究[J].山東科學(xué),2011,24(6): 67-70.

ZHAO L, WAN X ZH, QI Y,etal.. Design of multi-reflection transmission method based visibility measurement system[J].ShandongScience, 2011, 24(6):67-70. (in Chinese)

[13]田林,陸亦懷,桂華僑,等.基于角反射器的單端透射式能見(jiàn)度儀的研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào),2011,6(5): 390-397.

TIAN L, LU Y H, GUI H Q,etal.. Investigation on one-terminal transmission visibility meter based on using corner reflector[J].JournalofAtmospheric&EnvironmentalOptics, 2011, 6(5):390-397. (in Chinese)

[14]INTERNATIONAL C A O.Meteorologicalserviceforinternationalairnavigation[S]. Internation Civil Aviation Organization, 2013.

蔣立輝(1964-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，1993年、2001年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事激光雷達(dá)、圖像處理、光電子技術(shù)等研究工作。E-mail: lhjiang@cauc.edu.cn

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：

孫東松(1962-)，男，江蘇江陰人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1987年、1991年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事激光大氣遙感、激光雷達(dá)技術(shù)等研究工作。E-mail: sds@ustc.edu.cn

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Multi-point mobile measurement of atmospheric transmittance

TAI Hong-da1,2, ZHUANG Zi-bo3, JIANG Li-hui1*, SUN Dong-song2

(1.CollegeofAirTrafficMangement,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China; 2.SchoolofEarthandSpaceSciences,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China; 3.FlightTechnicalCollege,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

In consideration of the instability of light sources and the effects of optical collimation and atmospheric dynamic change of an atmospheric transmissometer on its measuring accuracy, this paper designs a new multi-point mobile atmospheric transmittance measurement system on a high precision guide rail. This system is based on a mobile measuring platform, and uses the multi point movement model to measure the atmospheric transmittance and extinction coefficient. The measuring accuracies from the proposed multi-point mobile atmospheric transmittance measurement method and from traditional atmospheric transmittance measurement method were analyzed and compared in theory, and the results show that the accuracy of the former is better than that of the latter. Moreover, the multi-point system and Skopograph II transmissometer were compared in a simulation chamber of atmospheric environment. The results demonstrate that two systems have an excellent correlation, in which 91.93% of the data is within 10% deviation, and the correlation coefficient is 0.985 7. In low-visibility conditions, the stability of the multi-point system is better than that of traditional transmissometer. It concludes that the multi-point system satisfies the demands of atmospheric transmittance and extinction coefficients for the accuracy, stability and the veracity.

atmospheric transmissometer; atmospheric detection; atmospheric transmittance; extinction coefficient; multi-point movement measurement

2016-03-28；

2016-05-18.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.U1533113，No.U1433202，No.41227804，No.41174130)

1004-924X(2016)08-1894-08

P412.1

A

10.3788/OPE.20162408.1894

臺(tái)宏達(dá)(1986-)，男，山東臨清人，博士研究生，講師，2007年、2010年于山東大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，主要從事航空氣象、大氣探測(cè)等方面的研究。E-mail: hdtai@cauc.edu.cn