能見度觀測儀

能見度即目標物的能見距離， 是指觀測目標物時， 能從背景上分辨出目標物輪廓的最大距離。 能見度是氣象觀測項目之一。 低能見度對輪渡、民航、高速公路等交通運輸和電力供應以至於市民的日常生活都會產生許多不利的影響。 在經濟高度發展的今天， 帶來的影響更為明顯。 近10 年來， 因能見度過低而造成的重大交通事故屢有發生。 能見度的觀測及其儀器的研製已為世界許多國家所關注。

基本介紹

• 中文名：能見度觀測儀
• 能見度：目標物的能見距離
• 意義：氣象觀測項目之一
• 儀器：透射儀

主要分類

世界上普遍套用的能見度觀測儀主要有透射式和散射式兩種. 透射儀因需要基線, 占地範圍大, 不適用於海岸台站、燈塔自動氣象站及船舶上. 但其具有自檢能力, 低能見度下性能好等優點而適用於民航系統; 散射儀以其體積小和低廉的價格而廣泛套用於碼頭、航空、高速公路等系統。

工作原理

2. 1　透射儀

透射儀是一種通過測量大氣透明度來計算能見度的儀器. 芬蘭V aisala 公司的M I2TRA S 透射儀是國際上機場氣象自動觀測系統中用得較多的一種能見度儀器. 下面就其原理做簡單介紹:

式(1) 給出光在大氣中的衰減

I = I 0exp (- Rb) (1)

其中: I 0 為發射光光強, I 為接受光光強, R 為消光係數, b 為發射器與接受器之間的距離.

透射儀即是基於此公式的儀器, 光源向距離為b 的接收器發射光束, 接收器測量經過大氣透射的光強. 由式(1) 可以看出, 透射儀測量公式為非線性.

R = - (1.b) ln ( I.I 0) (2)

測出兩點間的透射率I.I 0, 即可算出消光係數R, 並根據Ko schm ic 原理, 能見度L = - ln0105.R.

2. 2　散射儀

透射儀測量的是衰減係數, 而散射儀則直接測量來自一個小的採樣容積的散射光強.通過散射光強來有效地計算消光係數是建立在以下3 個假設的基礎上的: ①假定大氣是均質的, 即大氣是均勻分布的; ②假定大氣消光係數R 等於大氣中霧、霾、雪和雨的散射,圖1　FD12P 結構圖，即假定分子的吸收、散射或分子內部互動光學效應為零; ③假定散射儀測量的散射光強正比於散射係數. 在一般情況下, 選擇適當的角度, 散射信號近似正比於散射係數。

根據散射角度的不同, 散射儀又可分為3 種: 前向散射儀、後向散射儀和總散射儀.

下面重點討論前向散射儀。前向散射儀以其體積小、性能價格比高而得到廣泛套用, 普遍套用的前向散射儀可分為單光路和雙光路兩種.

(1) 單光路前向散射儀

芬蘭V aisala 公司推出的FD12P 是一種單光路前向散射儀, 廣泛套用於航空、航海、高速公路、氣象等部門的能見度測量領域.

圖1 FD12P 結構圖

圖1給出FD12P 結構, FD12P 以支架為結構基礎, 支撐變換器橫樑, 橫樑包括光學單元——發射器FDT 12B 和接收器FDR12, 包括數據處理和接口單元的控制箱固定在支架上。

FD12P 能見度儀的主要技術指標如下:

電子特性　主電源: 115.230VAC±20% , 45～ 65Hz; 最大功耗: 35W + 100W 除霜加熱器(寒冷天氣) ; 輸出: RS232、MODEM ; 輸出數據: 自動傳送或查詢方式; 時間間隔: 15 s～N ×15 s (倍數N < 18)。

光學特性　發射器:

光源: 近紅外發射二極體; 最大波長: 875 nm; 調製頻率: 2. 3 kHz; 發射器透鏡直徑: 71 mm; 參考光敏管: 控制光源; 後向散射光敏管: 污染和障礙測量. 圖1　FD12P 結構圖

接收器:

光敏管: P IN 6D I; 接收器透鏡直徑: 71mm; 後向散射光源: 近紅外發光二極體(L ED) 測量污染和障礙.能見度測量特性　測量範圍: 10～ 50000 m 　參照5% 的對比臨界值定義; 準確度:

±10% (10～ 10000 m ) ; ± 20% ( 10000～ 50000 m ) ; 時間常數:60 s; 更新間隔: 15 s.

環境特性　工作溫度: - 40～ + 55℃; 濕度: 0～ 100%RH; 抗陣風: 60 m /s.

圖2 給出FD12P 的光學結構, 它以33°傾角測量散射光, 在各種類型的自然霧中, 此角度產生圖2　FD12P 光路圖穩定的回響. FD12P 採用高能量GaA s 紅外L ED 作為光源, 通過一閉環電路穩定和監測光源, 接收器採用靈敏的P IN 來檢測散射光, 接收器採用了鎖定技術來減少雜散光對接收信號的影響, 同時周期性地測量漂移, 使接收器的輸出僅與散射光強成正比.

(2) 雙光路前向散射儀

美國Q ualim it rics 公司生產了一種採用雙光路測量系統測量能見度的儀器V S8364, 它的最顯著特點是採用獨特的雙光路對稱設計對採樣中的大氣消光係數進行測量, 這樣可以避免傳統的感測器由於使用環境的影響而降低性能的問題. V S 8364 也是以支架為結構基礎, 其系統包括: 支架、兩紅外發射組件、兩矽光電探測組件及控制器4 個部分(圖略).

V S 8364 能見度儀的主要技術指標如下:

電子特性　主電源: 83642A , 83642C　115 VAC, 60 Hz; 83642B, 83642D　240 VAC,

50～ 60 Hz; 最大功耗: 200W; 輸出: RS232、FSK; 輸出數據: 自動傳送或查詢方式; 輸出格式:A SC II 字元, 8 位數據, 1 位停止位, 無校驗位.

光學特性　光源: 紅外發射二極體; 波長: 850 nm; 調製頻率: 1024 Hz; 檢測器: 矽光電二極體.

能見度測量特性　測量範圍: 10～ 32000 m; 準確度: 15% RM SE; 平均間隔: 3、5 或10 m in.

環境特性　工作溫度: - 55～ + 55℃; 濕度: 5%～ 100% RH; 抗陣風: 85 m/s。

國內的機場、碼頭、氣象等部門都已引進FD12P, 運行情況比較穩定, 中遠距離的能見度觀測精度較高. 這種前向散射測量體制, 發揮了散射型感測器體積小的優點, 又克服了光學污染和光源老化的難題, 是一種較有前途的能見度儀。

安裝使用

兩種能見度觀測儀安裝要避開常出現地方性煙霧的地方，周圍不要有高大的障礙物。發射器和接收器都不能朝著強光源（如太陽光）或強的反射面(如積雪)等，但也可採取禁止或擋板達到這種要求。安裝高度為1.5m左右，儀器底座要十分牢固。透射能見度儀基線要測準，並對準光軸。電源和通訊電纜要可靠。

平時要注意維護髮射器和接收器鏡面清潔，如有降水、凝結物或灰塵附著，應及時清除。 兩種儀器均應定期校準，才能保證測量氣象光學視程的準確度。

兩種能見度觀測儀均能自動採樣，取平均值輸出能見度連續變化。