高 鵬，韓 永

(1.中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101；2.南京大學，江蘇 南京 210093)

0 引 言

大氣能見度測量技術(shù)的研究始于1957年，Koshmieder定律的建立為研究大氣能見度測量技術(shù)奠定了基礎(chǔ)[4]。大氣能見度的測量方式主要有2種，分別是前向散射式和透射式。前向散射式能見度儀具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，但是測量誤差比較大[5]。透射式能見度儀通過測量大氣透過率來得到能見度的值，測量精度比較高，但是現(xiàn)有透射式能見度儀并未考慮大氣流場對能見度測量的影響，可能存在測量偏差。目前國產(chǎn)前向散射式能見度儀已在我國一些氣象部門使用；我國最早研制出的透射式能見度儀是長春氣象儀器研究所研制的TS型投透射儀。盡管如此，我國大部分氣象部門、機場以及交通道路上所使用的仍然是國外研制的能見度探測儀器。芬蘭VAISALA公司研制的LT31透射儀是國際上最具代表性的、普遍應(yīng)用于我國的機場和氣象站[6-7]。

對于大氣湍流的研究，已有近半個世紀的歷史。1977年，Wang等人利用較大非相干光學發(fā)射和接收系統(tǒng)測量出大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2[8]。1999年，Muschinski等人通過分析風廓線雷達垂直方向上的返回信號的功率譜，得到了當?shù)卮髿庹凵渎式Y(jié)構(gòu)常數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)[9]。2001年，Mitev等人研究了接收端激光光束截面圖像的飽和度，測得了大氣湍流強度[10]。2005年，周孟蓮等人使用AMK-02型超聲波大氣參數(shù)綜合測量儀也測量得到了大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2[11]。2007年，Sun等人基于薄光束在大氣中傳播的理論研究出了測量大氣湍流外尺度參數(shù)信息的新方法[12]。2015年，袁仁民等人利用大孔徑閃爍儀研究出了測量城市表層大氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)虛部的新方法[3]。

然而，現(xiàn)有的常規(guī)儀器忽略了湍流氣團和氣溶膠粒子之間的相互影響，其測量結(jié)果可能存在偏差[13]。一方面大氣湍流帶動氣溶膠粒子運動，另一方面氣溶膠粒子也拖曳湍流氣團的運動，它們之間的伴隨與跟隨、遲滯與阻礙、拖曳與被拖曳之間的關(guān)系使得我們在探測大氣能見度(消光系數(shù))和大氣湍流特征時，應(yīng)該同時考慮它們之間的相互作用，這也是研究、監(jiān)測和預(yù)報污染物擴散分布中的重要環(huán)節(jié)。為了克服這一不足，準確測量大氣能見度和湍流強度，本文研究了一種大氣能見度和湍流強度同步測量光學系統(tǒng)(AVTOM)，同步獲取大氣能見度和大氣湍流強度。

1 測量原理

1.1 大氣能見度測量原理

大氣能見度由大氣消光系數(shù)決定，通常通過測量消光系數(shù)來求得大氣能見度[14]。氣象光學距離(MOR)是指由白熾燈發(fā)出的色溫為2 700 K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度，世界氣象組織(WMO)建議采用這個物理參量來闡述能見度的觀測[15]。

按照布格-朗伯定律，平行光在大氣中的衰減可以表示為：

F=F0e-σL

(1)

式中：F為接收光通量；F0為初始光通量；σ為消光系數(shù)；L為基線長度。

如果用RMO表示氣象光學距離，即光通量衰減至5%所經(jīng)過的距離：

3.抗風險的能力較差。有相當部分規(guī)模豬場，由于對市場開拓不夠，產(chǎn)品質(zhì)量不高，其經(jīng)濟效益受到影響。同時規(guī)模豬場面臨著農(nóng)村養(yǎng)豬戶和國外現(xiàn)代化養(yǎng)豬場的雙重夾擊，日后競爭將趨熾熱化。隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人民生活水平逐漸提高，同時也加大了勞動力成本和飼料成本，有資料分析，玉米漲10%，豬肉漲5.3%，大豆?jié)q10%，豬肉漲7.8%。因此，必須在財務(wù)上，在管理、技術(shù)、生產(chǎn)和市場方面增加抗風險的能力。

(2)

式中：ε為視覺對比閾值，根據(jù)國際氣象組織的規(guī)定，ε=0.05[16]。

根據(jù)公式(2)，大氣能見度的大小只和大氣消光系數(shù)有關(guān)。因此，精確探測消光系數(shù)可以提高大氣能見度測量結(jié)果的準確性。消光系數(shù)由公式(3)決定[17-18]：

(3)

式中：P為光檢測器探測到的光功率；P0為光源的發(fā)射功率；D為接收端的口徑；L為基線長度；θ為光源的發(fā)散角；k為常數(shù)，由儀器校準結(jié)果決定。

因為P0、D、L和θ均為常數(shù)，因而可以獲得大氣消光系數(shù)：

(4)

1.2 大氣湍流強度測量原理

根據(jù)光傳輸理論，波長為λ的球面波經(jīng)過大氣湍流進行傳播，如果以I表示光強，則在傳播距離L處，直徑為D的孔徑內(nèi)接收的對數(shù)光強起伏方差為[19]：

(5)

式中：k為光波數(shù)，k=2π/λ；K為空間波數(shù)；γ為球面波的傳播因子，γ=z/L；Φn(K)為折射率起伏的空間譜密度，可表示為:

(6)

F(K)=

(7)

(8)

式中：〈〉表示統(tǒng)計平均。

綜上，可推出大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)測量的原理公式：

(9)

式中：光波數(shù)k、基線長L、接收孔徑D均已給定。

(10)

2 設(shè)計方案

本文探測系統(tǒng)采用雙端式探測方式，分為發(fā)射端和接收端。圖1是系統(tǒng)工作示意圖，光束由LED光源發(fā)出，經(jīng)過斬波器調(diào)制頻率，再經(jīng)過準直鏡頭進行準直后從發(fā)射端出射。光束在大氣中傳播時，由于氣溶膠粒子以及湍流氣團的影響，發(fā)生散射、吸收、閃爍、漂移和擴展等光學效應(yīng)。光束到達接收端之后，由接收端聚焦透鏡組會聚至光檢測器上進行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出。再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送至PC端進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)公式計算得到大氣能見度和湍流強度測量結(jié)果。圖中激光器1和2分別發(fā)出波長為650 nm和532 nm的光束，用于發(fā)射端和接收端輔助對準。發(fā)射端和接收端都安裝窗口鏡，可以防止內(nèi)部光學系統(tǒng)受到污染。本文測量系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端之間的基線長度L設(shè)為30 m。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖

2.1 發(fā)射端

發(fā)射端模塊包括光源、信號源、斬波器、光源驅(qū)動電路、激光輔助對準設(shè)備和溫控模塊等部分。圖2為發(fā)射端結(jié)構(gòu)示意圖。在本系統(tǒng)中，LED光源選擇Cree公司的暖白光源，中心波長620 nm。世界氣象組織推薦使用寬光譜光源測量能見度，因為使用窄光譜光源會導致在某些天氣現(xiàn)象下產(chǎn)生測量誤差。而臭氧對波長620 nm的光吸收比較微弱，可以讓氣溶膠成為光衰減的主要原因，降低臭氧的干擾。信號源和斬波器的作用主要是將光源調(diào)制為固定頻率光信號輸出，本系統(tǒng)中光源的輸出頻率為10 kHz。光源調(diào)制為高頻率輸出，可以增加探測大氣湍流強度的準確性。光源驅(qū)動電路主要用來給光源供電。

圖2 發(fā)射端結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 接收端

接收模塊包括光檢測器、放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換模塊等部分。圖3為接收端結(jié)構(gòu)示意圖。接收模塊中的光檢測器選擇光電倍增管，用于將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光電倍增管具有較高的靈敏度，其響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)高，并且具有較大的工作電流。放大器由晶體管、電源變壓器等元器件組成，主要作用是將光電倍增管輸出的電壓信號進行放大處理。濾波器用于將信號頻率以外的噪聲信號濾除，提高信噪比。A/D轉(zhuǎn)換模塊的作用是將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸至后端工控機進行數(shù)據(jù)處理。

圖3 接收端結(jié)構(gòu)示意圖

3 測量結(jié)果和比較

圖4表示由AVTOM夏季測量得到的大氣能見度和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的結(jié)果。由圖4可知，在22∶24測得大氣能見度最小值為4.02 km，在23∶19測得大氣能見度最大值為5.99 km。大氣能見度測量結(jié)果集中在4～6 km之間。大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的測量結(jié)果主要集中在10-13m-2/3和10-12m-2/3之間。有研究發(fā)現(xiàn)，靠近地面的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的值一般在10-14m-2/3和10-13m-2/3之間[22]。

圖4 AVTOM測量結(jié)果

使用OSI OWI-430能見度儀和CAST3A三維超聲風速儀對大氣能見度和大氣湍流強度進行同步觀測實驗，并將測量結(jié)果與AVTOM測量結(jié)果相比較。OSI OWI-430能見度儀是前向散射能見度儀，由美國研制，可以測量大氣能見度、降水強度和狀態(tài)等。這臺儀器每分鐘測量一次數(shù)據(jù)，它測量范圍是1～10 000 m，測量精度是10%～15%，工作溫度是-40～+50 ℃。CAST3A是三維超聲風速儀，主要用于測量風速、風向和大氣湍流強度。

圖5顯示了AVTOM和OSI OWI-430測量結(jié)果的比較，X軸表示時間，Y軸表示能見度，輸出結(jié)果的時間間隔為1 min。由圖5可知，對于大氣能見度的測量而言，AVTOM和OSI OWI-430的測量結(jié)果均為4 km和6 km之間，它們的相對偏差為4.7%。

圖5 AVTOM和OSI OWI-430的結(jié)果對比

圖6顯示了AVTOM和CAST3A測量結(jié)果的比較。X軸表示時間，Y軸表示大氣折射率強度。輸出結(jié)果的時間間隔為30 min，由圖6可知，對于大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)而言，AVTOM和CAST3A的測量結(jié)果均為10-13～10-12m-2/3，并且它們平均值的相對偏差為3.5%。

圖6 AVTOM和CAST3A的結(jié)果對比

4 結(jié) 論

本文提出了一種大氣能見度和湍流強度同步測量光學系統(tǒng)，采用透射式測量方式，分別利用消光原理和光強起伏原理測量這2個氣象參數(shù)。本文首先從大氣能見度和湍流強度測量原理出發(fā)，理論研究了大氣能見度和湍流強度同步測量系統(tǒng)的可行性。其次根據(jù)測量原理進行了系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。最后，進行了實驗和對比，對測量的數(shù)據(jù)結(jié)果進行了分析和比較。比較結(jié)果表明，AVTOM所測大氣能見度的結(jié)果與OSI OWI-430前向散射能見度儀測量結(jié)果的相對偏差為4.7%；AVTOM所測大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的結(jié)果與CAST3A三維超聲風速儀測量結(jié)果的相對偏差為3.5%。下一步將根據(jù)測量結(jié)果研究這兩者的內(nèi)在聯(lián)系，從而減小由于其相互影響造成的測量誤差。