蔡 琴*，甘 志，徐智勇

(1.成都工业学院 电气工程学院，成都 611730;2.四川鼎林信息技术有限公司，成都 610071;3.中国科学院 光电技术研究所，成都 610209)

1 理论分析

能见度是指大气的浑浊程度或是大气的透明度，无论昼夜，只要大气的浑浊度相同，能见度的值就是一致的。为方便仪器自动测量，国际气象组织引入气象光学视程(MOR)作为机测能见度的标准定义，MOR是指色温度为2 700 K的白炽灯发出的平行光束被大气吸收和散射后，衰减至5%时所通过的距离。

对于单波长为λ的激光，光强为Io，在大气中经过x距离后，其光强变化为:

其中:σ(λ)为波长λ处的大气衰减系数。

对于宽谱的光源，谱线范围为［λ1，λ2］，光源的光强是各个波长的光强的积分，即:

经过x距离后，光强变化为:

如果大气的衰减是与波长无关的常数，即σ(λ)=σo=常数，则式(3)可变为:

式(4)与式(1)形式一致，由此可知:能见度公式与比尔-朗博定律形式一致。

2 大气衰减特性(可见光波段)

大气的衰减特性来自4个方面:分子散射、分子吸收、气溶胶的散射、气溶胶的吸收。不同的地区、不同的季节、不同的天气类型(阴晴)都会导致大气成分的变化，从而导致衰减特性的变化。分子散射和吸收与季节相关，气溶胶的散射和吸收与天气种类相关，表1列出了中纬度地区大气的衰减特性。

表1 中纬度地区大气衰减特性［2］

由表1可知:气溶胶散射对大气衰减的贡献最大，可以计算出气溶胶散射在总的大气衰减中占有的比例，如表2所示。

表2 气溶胶散射比例(相比总的大气衰减，中纬度地区)［3］

由表2可知:1)大气衰减系数与波长有关，不同波长的衰减系数不同;2)气溶胶的散射对大气衰减贡献最大，但其占总衰减的比例是变化的。

因为大气衰减系数是按波长分布的，不是常数，即式(3)不能简化为式(4)，按照MOR的定义，仪器测得的气象光学视程是不同波长光波综合作用的结果，按波长分布的大气衰减系数只能作为权值出现。在不同地区、不同天气情况下，气溶胶有所变化，因而引起大气衰减系数的变化，权值也相应地变化。在实际观测中，当季节或者天气变化时，MOR和人工观测会出现较大的差异，尽管在之前二者的符合情况较好。

如果仅采用单波长激光作为测试光源，从以上分析可知:测得的MOR和定义中的MOR在很多情况下都会不一致，除非加修正因子。另外，对于空气污染造成的气溶胶成分变化的影响，因为各个地区污染情况有所不同，加修正因子将非常困难。从这个意义上说，单波长的散射式或者透射式能见度仪可以反映大气的浑浊度，但是不能准确地反映MOR。

3 光源选择的影响

由式(3)可知，宽谱光源的谱功率分布相当于对各个波长点的加权因子，因而也会影响MOR的测试结果。按照国际气象组织WMO对MOR的定义，采用2 700 K色温的白炽灯。

目前透射式能见度仪大多采用白光LED作光源，图1是LED光源光谱分布曲线。

白炽灯的光谱分布从短波长1到长波长3一直上升，接近于一条直线，而白光LED的光谱有明显的2个波峰。即使色温相同2种光源光谱的分布也不同。因此直接采用3 700 K的白光LED作为光源，测得的MOR和WMO定义的MOR存在一定系统误差。

图1 LED光源的光谱分布图

4 各种能见度技术的比较和测试情况

目前，测试能见度采用的技术包括透射式、散射式、摄像式，下面分析系统光谱响应对能见度测量的影响［4］。

透射式是最符合能见度定义的方式，但是各个厂家采用的光源系统的光谱响应特性不同，所以测试结果会有系统偏差，在没有标准能见度仪的情况下，难以确定其准确性。在透射式能见度中，采用白光做光源的系统误差要小于采用单色激光做光源的系统误差，因此采用白光的透射式系统更具有技术优势，但因光路更加复杂而成本较高。

散射式只测量气溶胶的散射，当能见度高时，气溶胶较少，对光的吸收作用可以忽略，散射式能见度仪测量比较准确，当能见度较低时，气溶胶较多，对光的吸收作用较大，测试结果会出现较大的偏离。Vaisala公司提供了补偿算法，对不同天气情况，气温等其他条件下对测量的能见度进行补偿，使得散射式的结果接近于真实能见度。

摄像式(也称为照相式)是近年出现的能见度测量方式，其原理是采用对景物照相的方法，通过图像处理，提取图像中远近景物的灰度和距离，与人眼阈值比较，分析计算出能见度来。从原理上看，摄像式较符合能见度的定义，大气的衰减特性和大气扰动为其主要测量量，摄像机距景物的距离相当于基线。因为可以选择被处理对象之间的距离很长，这就相当于基线很长，所以对摄像机的信号精度要求比较低。计算机技术和图像处理技术的成熟也降低了摄像式能见度仪的应用难度。但是目前摄像式能见度仪的应用还有一定的限制，如必须有适合的光照条件及远近目标物等，有待进一步研究解决。但从长远看，摄像式能见度仪会因为其成本低、技术简单而有良好的市场应用前景。

WMO在英国举行过一次国际能见度对比试验，来自18个国家的25台能见度测试仪参加了此次试验，包括后向散射式能见度仪、前向散射式能见度仪和多种基线的透射式能见度仪［5］。试验选择了部分测量结果的中间值作为对比参考值。英国BIRAL公司采用FAA(美国航空协会)认可的标准透射式能见度仪作为参考，对VPF-710，VPF-730能见度仪器进行了为期2年的大气消光系数对比试验，其中VPF-710采用前向散射技术，VPF-730采用后向散射式技术;AES(加拿大大气环境局)用芬兰Vaisala的大气透射表来对比英国BIRAL公司的能见度仪;德国GMS(German Meteorological Service)的Waas用大气透射表与前向散射型能见度仪进行对比试验等。

从对比试验可以看出，即使是在同一时间、同一地点获得的测试数据仍有差异，难以判定其准确性。图2列举了能见度＞5 km时几种常见型号的能见度测试仪观测数据，可以看出:相同设备的测试数据会出现偏离，不同类型设备的偏差则更大。

图2 能见度＞5 km时几种能见度测试仪观测数据

5 解决方法

综上所述，各种仪器之间测试结果有一定的偏差，而仪器自身无法消除这些偏差。偏差的存在会影响测试数据的准确性，进而影响能见度仪的规模应用。

该问题的解决有赖于能见度测试标准的建立。国家气象局大气探测中心承担的公益性行业(气象专项)GYHY201106047进行了相应的能见度测试标准的研究开发。项目下有2个子课题和能见度测试标准有关:1)以黑体为目标的能见度测试标准;2)基于传统透射式的标校方法和设备。当测试标准研制出来后，能见度仪器可以参考测试标准做标定，利用软件后处理，即可消除系统偏差。以上几种能见度仪中，采用白光的透射式能见度仪最有利于和测试标准配合，消除系统误差。这是因为其自身的测试方法和能见度定义相近，并且同时测量影响能见度的大气衰减的所有因素，不易受到气候，天气变化的影响等，但是透射式能见度仪器仍需提高系统的稳定性和精度，以满足高能见度测试时精度的要求。

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