基于透射法的空氣能見度測量

符榮鑫，鄭玉峰，聶夢松，趙曉紅

（1.北京郵電大學 自動化學院，北京 100876；2.北京郵電大學 理學院，北京 100876）

基于透射法的空氣能見度測量

符榮鑫1，鄭玉峰1，聶夢松1，趙曉紅2

（1.北京郵電大學 自動化學院，北京 100876；2.北京郵電大學 理學院，北京 100876）

針對傳統(tǒng)透射式能見度測量系統(tǒng)占地面積大、光學系統(tǒng)難以對準等缺陷，根據(jù)透射法原理，利用自制的儀器測量空氣能見度，通過數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW編程，實現(xiàn)了對能見度數(shù)值的實時測量記錄，在0～500 m范圍內(nèi)有較好的測量精度，可應用于需要測量霧霾等天氣情況下能見度數(shù)值的場所。

空氣能見度；透射法；LabVIEW

Abstract：According to the principle of the transmission method，the home-made instruments are used to measure air visibility through data acquisition card and LabVIEW programming to record real time measurement of the visibility values.To improve the traditional visibility measurement system，the shortcoming of covering a large area and optical system difficult to align are overcome.The device is preferable measurement accuracy within the range of 0～500mand can be used in visibility measurement conditions such as fog and haze.

Key words：air visibility；transmission method；LabVIEW

空氣能見度的高精度、實時探測對航空、航海、公路、鐵路交通領(lǐng)域等都十分重要，精確監(jiān)控空氣能見度并實時地傳輸?shù)诫娔X終端的能見度儀會對交通管控提供很多方便［1］。測量空氣能見度一般可用目測的方法，也可以使用大氣透射儀、激光能見度自動測量儀等儀器測量。目前市場上的透射式能見度測量儀存在以下缺陷：光學收發(fā)儀器分體安裝，占地面積較大，光學系統(tǒng)難以對準，現(xiàn)場調(diào)校困難，難以實時監(jiān)測［2］。另外，透射法的傳統(tǒng)設備不便于設備在傾斜狀況下測試［3］。為此，本文研制出一種透射法的空氣能見度測量儀，采用半導體激光的發(fā)射和接收系統(tǒng)，通過測量接收光強來確定能見度，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、自動化程度高、探測速度快以及攜帶方便等優(yōu)點，適用于不同環(huán)境水平的能見度的探測。

1 空氣能見度的測量原理

目前，不同學科從不同的角度出發(fā)，對空氣能見度的定義不同，我們考慮到空氣能見度的應用背景，選取氣象學對空氣能見度的定義。該定義是指白熾燈發(fā)出色溫為2 700K的平行光束的光通量在空氣中衰減至初始值的5%所通過的路徑長度［2］。激光在空氣中會表現(xiàn)出一定的傳輸衰減特性［4］。在可見和近紅外波段，氣溶膠粒子的散射是大氣消光的主要因素［5］。故可利用透射法原理，采用發(fā)射端和接收端相分離的方式，根據(jù)光源通過一定長度的空氣之后光強的衰減得出能見度的數(shù)值。

Bougner-Lambert定律提出了平行光束在空氣中的衰減模式［6］，即I＝I0e-αl，其中，I表示接受到的光強，I0表示光的初始光強，α為光在空氣中的衰減系數(shù)，l為光通過空氣的路徑長度。根據(jù)能見度的定義得到空氣能見度V的測量公式［7］為

根據(jù)Bougmer-Lambert定律，光源通過空氣之后，初始光強與接收光強的比值對數(shù)（lnI0/I）與光通過的距離成正比。本文選擇650nm波長激光頭作為光源，一方面考慮到激光束集中、亮度高，光線平行性好的特點，另一方面考慮到紅色激光在煙霧環(huán)境下的透射性更好［8］。由于該光源與空氣能見度定義中的光源不同，應該對上述公式進行修正。

Knlse的修訂參數(shù)，是針對人眼感覺的光波（白光）而言的。作為近似，可以用人眼最敏感的綠光的衰減系數(shù)來代替白光的衰減系數(shù)［9］，對于其他波長λ的光應作如下修正［10］：

q值在不同地區(qū)和時間可能不同，最常用的是Knlse提出的修訂參數(shù)，在空氣能見度較低時。q＝（V以km 計）考慮到裝置測量范圍，選取V＝500m，求取近似的q值，進而得出空氣能見度的測量公式［8］為

2 測量裝置

整套空氣能見度測量設備主要包括配有滑塊的精密導軌、激光頭、光點校準使用的有機玻璃滑塊（見圖2）、硅光電池、用于匯聚光線的透鏡、勻速電機、數(shù)據(jù)采集卡以及PC電腦終端。勻速電機用來拖動導軌上的滑塊以帶動滑塊上的激光頭勻速運動。精密導軌上配有的滑塊與激光頭通過4顆螺絲連接，便于調(diào)整激光頭發(fā)出的光線位置。導軌末端安裝了用黑色膠布包裹的有機玻璃塊，以減小環(huán)境光強對實驗結(jié)果的影響。有機玻璃塊上帶有穿透整個玻璃塊的小孔，用于校準光線，使激光頭發(fā)出的光線能打在玻璃塊后的透鏡上，透鏡將光線匯聚到硅光電池上，硅光電池將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳送到電腦終端處理［12］。圖3為接收端。

3 測量與分析

將整套裝置放在有機玻璃制成的微環(huán)境箱中，在箱內(nèi)通入大量煙霧，使其內(nèi)部空氣能見度降至極低。

圖2 安裝激光頭的滑塊

圖3 光的接收端

（1）探究儀器隨距離變化對能見度測量精度的影響。接通勻速電機電源，電機拖動激光發(fā)生器在導軌上運動，通過光接收器將激光通過充滿煙霧介質(zhì)后的電壓信號進行處理，繪制出以接受光強對數(shù)為縱坐標、以時間t為橫坐標的曲線。由于電機拖動滑塊勻速前進，且按照測量原理，接受的光強對數(shù)ln（I0/I）與激光通過的距離成正相關(guān)關(guān)系，故圖像的線性程度可表征儀器的測試精準程度。

經(jīng)測量結(jié)果（見圖4）驗證，計算機屏幕上出現(xiàn)的曲線線性良好，證明測量設備調(diào)整精確。

（2）通過玻璃箱帶有的排氣扇減小環(huán)境中的煙霧濃度后對能見度進行連續(xù)的觀測，以觀測其測量結(jié)果曲線

微環(huán)境箱內(nèi)充滿高濃度的煙霧后，用微環(huán)境箱帶有的風扇抽取氣體。保持滑塊上的激光頭不動，以空氣能見度作為縱坐標，電機運動時間作為橫坐標。得到能見度呈上升趨勢的變化，如圖5所示。

由圖5中的曲線可以看出，隨著煙霧濃度的減小，能見度不斷升高，并且在低濃度時其升高的過程較為平穩(wěn)。說明該裝置能夠?qū)δ芤姸冗M行很好的測量，有一定的使用價值。

圖4 儀器隨距離變化對能見度測量精度的影響曲線

圖5 隨煙霧濃度減小的空氣能見度測量結(jié)果

（3）戶外測試結(jié)果與其他測試設備的對比。由實驗室內(nèi)的測試結(jié)果得出，測試裝置在0～500m的能見度范圍測試精度較高?？紤]到測量裝置的實際應用價值，將其放在戶外環(huán)境下測量空氣能見度，并與大型能見度測量裝置的測量結(jié)果進行對比，得到的數(shù)據(jù)見表1。

表1 測量設備與其他大型設備戶外測量結(jié)果對照

由表1數(shù)據(jù)可知，本文提出的測試裝置在低能見度下測試結(jié)果良好，在高能見度下，測試結(jié)果也與市面上的高端空氣能見度測試裝置測試結(jié)果相差不大。由于在實際環(huán)境中，對戶外空氣能見度測試的精度要求并不十分苛刻，所以本裝置測試精度在實際環(huán)境中有著一定的應用價值。

4 結(jié)束語

本文立足于實際問題，制作了可靠的空氣能見度測量裝置，并對空氣重要參量（能見度）進行了研究。運用透射法為原理進行實驗，針對性地提出了空氣能見度的測量方法與公式，并合理地提出了測量器材的選取標準。同時采用了基于計算機平臺的數(shù)據(jù)處理方法，將LabVIEW軟件引入空氣能見度的測量，使數(shù)據(jù)處理更為方便、快捷、準確。該測量方法克服了原有的透射法測量空氣能見度的一些缺點，并在0～500m范圍內(nèi)具有良好的測試效果，在戶外的測量精度能夠滿足實際環(huán)境中對能見度測量精度的要求。實驗方法與裝置的設計具有一定的創(chuàng)新性和實際應用價值。

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Measurement of air visibility based on transmission method

Fu Rongxin1，Zheng Yufeng1，Nie Mengsong1，Zhao Xiaohong2
（1.Automation School，Beijing University of Post and Telecommunications，Beijing 100876，China；2.Science School，Beijing University of Post and Telecommunications，Beijing 100876，China）

X831

A

1002-4956（2013）11-0076-03

2013-03-11修改日期：2013-05-03

符榮鑫（1991—）男，遼寧鞍山，2010級本科學生，自動化專業(yè)

E-mail：fu.rx01＠gmail.com

趙曉紅（1964—）女，河北保定，博士，教授，主要從事激光物理及非線性光學等方面的研究.

E-mail：xzhao＠126.com