前向散射能见度仪的测量技术研究.pdf

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1、No1．2002气象水文海洋仪器March．2002前向散射能见度仪的测量技术研究王韬李国俊尤海(1．长春气象仪器研芄所，长春130012；2．北京首都目标机场气象中心，北京100081)摘要用前向散射能见度仪替代透射能见度仪曩l量能见度耐，在不同天气条件下，二者有着不同的函敦关系，作者通过研究给出了这种函数关系式，应用这个关系式可确保前向散射仪的测量精度，从而提高前向散射仪的实用性。关键词能见度消光系数前向散射1弓l言前向散射能见度仪是一种测量大气能见度的气象仪器。它可以测量大气浑浊程度，其测量结果在一定程度上反映了影

2、响大气环境的各类因素的强弱变化程度，也可作为描述大气污染程度的特征量，应用在交通领域时，可直接反应视程太小。前向散射能见度仪(下称散射仪)作为透射能见度仪(下称透射仪)的替代产品在实际应用中有很多优点：成本低、体积小、安装方便、维护保养少、动态测量范围太，采样范围为自然环境中随机选定的某一点，，不受视线内障碍物影响，与透射仪(测量范围是固定基线内的环境)相比能更好地适应外界环境。但是目前还投有一种散射能见度仪能适用于任何场所的测量，这是因为对于直径小于波长的粒子和对光吸收性很强的粒子都属于特定变量，测量各种特定变量往往都

3、有各自对应的函数关系，作者就此进行了研究探讨。2测量原理散射能见度仪工作机理是建立在散射光理论基础之上的。仪器的光学结构决定以下两个假设条件成立。其一，光源发出的光程内有：总=蛔+鼓，d是稍光系数，由于咂=0，所以，仪器总的消光系数。总近似等于散射光的消光系数鼓。如果某粒子的吸收性存在蛔：K哑d敲，则总=d鼓(Kl旺+1)，仪器总的消光系效啮与散射光的消光系效d敲成正比。其二，在20。～50。测量角度内的仪器测出的散射光总量与散射消光系数成正比。这说明单一的散射仪可以覆盖整个测量范围。为了验证多种散射介质的散射与消光系数

4、之间的关系，我们选定以透射表测定的消光系数为基准，进行对比测量。为了减少测量误差，必须事先对透射表进行严格的校准。No1．2002王韬等：前向射能见度仪的测量技术研究·7·3不同天气条件下能见度测量的函数关系式自然界有着多种天气现象，如：雾(浅雾、太雾)，降水(雨、阵雨、毛毛雨、冻雨、雪、雨夹雪、冰雹)，烟尘(烟、浮尘、霭、火山灰)，风沙(沙暴、尘暴)等。实验证明，不同天气条件下能见度的测量存在着不同的函数关系式，主要表现在不同的介质中，具有不同的消光系数。用散射表测量雾、雨、雪、沙尘的结果表明，在不同介质中散射光总量与

5、消光系数的比例关系并不相同。因此，散射表必须建立与透射表相关的函数关系，使散射表满足在不同的天气环境下的测量需要。这里仅以雾、降水和沙暴为例建立函数关系。基准仪器为美国833透射表(基线长75m)，被测仪器为SS-I散射表。两种仪器的光源均为LED，波长875nmo通过对散射表测得的消光系数和透射表铡得的消光系数进行对比，分析研究，得出它们具有如下关联：图1误差分析靛=K殪+d其中，咄是散射表的消光系数，透是透射表的消光系数，K为常数，d是偏移量。另有一个重要参数——随机噪声，虽然无法通过关系式表达，但可以通过多次测量以

6、求的平均值的方法弱化。透射表的精度足以满足要求，K投有很大误差，但在100％透视率时，d的值较大，特别是因镜头污染和温度漂移引起的误差；而散射表的d较小，但对于K却有一定的误差，这是由于一些难以克服的外界介质因素引起的。因此，要调整好基准仪器和被测仪器，使d值尽可能地达到被忽略的程度。如图1所示。在雾的环境下，散射表和透射表测量值的数据翟图辈中虚星线描述了两个传感器的对比偏差约圈⋯霉中⋯散射⋯表与透⋯射表⋯测量数⋯据的对⋯比为±8％左右。图中实线满足上述的一次关系式。因此可以认为散射表和透射表在雾·8·气象水文海洋仪器M

7、arch．2002天有较好的一致性。这也说明ss-1前向散射表利用了红外光源可以很好的反映大气中亚微米粒子的含量。为了直观，将消光系数和能见度两种坐标叠加在一起表示，并将ss-1散射表在雨天、雪天测得的结果添到坐标上。从图3可以看出，在雨天、雪天测量中建立的消光系数与散射光总量的关系式与雾天建立的关系式并不相同。在雨中，一1前向散射表的消光系数测量结果是斜率K彀>K透，也就是散射表测得的能见度的值要比透射表在雨天的测量值低一些，因此，散射表能见度值订正为V=K肚v敲(K<1)。同理，在雪中，ss-1前向散射表消光系数测量

8、结果为K教