以黑體為目標的能見度參考標準試驗研究

馬舒慶徐振飛毛節(jié)泰劉達新張春波楊 玲甄小瓊

1）（中國氣象局氣象探測中心，北京100081）2）（成都信息工程學院電子工程學院，成都610225）

3）（北京大學物理學院，北京100080）4）（北京市觀象臺，北京100089）

以黑體為目標的能見度參考標準試驗研究

馬舒慶1）*徐振飛2）毛節(jié)泰3）劉達新1）張春波4）楊 玲2）甄小瓊2）

1）（中國氣象局氣象探測中心，北京100081）2）（成都信息工程學院電子工程學院，成都610225）

3）（北京大學物理學院，北京100080）4）（北京市觀象臺，北京100089）

黑體為目標的能見度測量是從科西米德定律出發(fā)，通過工業(yè)相機對黑體目標物進行拍攝，建立黑體和背景天空的數(shù)學模型，求得能見度。分析表明：當能見度小于30 km，黑體黑度和CCD（change-coupled device）工業(yè)相機的面非均勻性對該方法測得的能見度造成的誤差約為3.7%。該方法與前向散射能見度儀測量進行對比，能見度變化趨勢上具有一致性；但在高能見度時，黑體能見度測量值大于前向散射能見度測量值，低能見度時，黑體測量值小于前向散射能見度測量值。

黑體；黑度；能見度；面均勻性

引 言

氣象能見度［1-2］是與日常生活和生產(chǎn)密切相關的氣象要素［3-4］。如何實現(xiàn)氣象能見度自動化觀測，國內外做了大量工作［5-6］，開發(fā)了多種氣象能見度觀測儀［7-8］，能見度觀測儀器的研發(fā)和試驗考核都需要能見度參考標準來驗證。1988年10月—1989年5月WMO（世界氣象組織）在英國舉行了第1次國際能見度比對試驗［9］，來自18個廠家的25個能見度儀器參加了此次試驗，其中包括1臺后向散射能見度儀、多臺前向散射能見度儀和多種基線的透射式能見度儀。從中選擇一部分儀器的測量結果的中間值作為比對的參考值。選擇用于計算參考值的能見度儀時，需要考慮其量程范圍以及其觀測性能。與當?shù)氐娜斯び^測進行比對后給出每臺能見度儀器的不確定度。英國BIRAL公司采用FAA（美國航空協(xié)會）認可的標準透射式能見度儀作為參考［10］，對VPF-710，VPF-730能見度儀器進行為期兩年的大氣消光系數(shù)對比試驗，其中VPF-710采用前向散射式技術，而VPF-730采用后向散射式技術。美國Environment Sensors公司的Crosby［11］指出，AES（加拿大大氣環(huán)境局）用芬蘭Vaisala的大氣透射表來對比英國BIRAL公司的能見度傳感器。德國GMS（German Meteorological Service）的Waas［12］用大氣透射表與前向散射型能見度儀進行比對試驗。毛節(jié)泰等［13］利用望遠光度計，根據(jù)能見度定義測量大氣能見度。謝興生等［14］提出數(shù)字攝像法測量氣象能見度原理和方法。呂偉濤等［15］對于長方體結構的黑體進行了理論分析和計算，給出了黑體近軸向的半球方向反射率與其特性參數(shù)之間的關系。王緬等［16］提出了利用透射能見度儀標定和漫反射板校準前向散射式能見度儀的方法。呂偉濤等［17］分析了雙亮度差方法測量白天氣象能見度時的誤差。周建榮等［18］也將大氣透射表觀測結果與人工觀測結果進行了比對分析試驗。程紹榮等［19］提出采用漸變率光衰減鏡頭的方法對大氣能見度儀進行標定。

從國內外開展的能見度對比試驗可以看出，能見度對比試驗的參考標準主要是透射式能見度儀、多種儀器的分析計算值以及人工觀測。透射式能見度儀量程較小，多種儀器分析計算值和人工觀測值的不確定性均為建立能見度參考標準的難點所在。本文提出了從能見度定義出發(fā)的黑體能見度參考標準，該標準具有客觀和準確的優(yōu)點。

1 以黑體為目標的能見度參考標準構成

圖1給出了黑體能見度參考標準系統(tǒng)。采用工業(yè)相機獲取黑體和天空的圖像。工業(yè)相機鏡頭朝南，在相機南面680 m處選擇窗口朝北的房屋，將其窗口內部做消光處理，使其作為黑體。相機每6 s拍攝1次黑體的圖片。取圖像中天空灰度值和圖像中黑體灰度值，換算成亮度值D∞和D′L。

圖1 以黑體為目標的能見度參考標準示意圖Fig.1 Schematic diagram of visibility reference standard blackbody targets

當氣柱光學特性均勻，那么

其中，D∞是天空視亮度，DL是黑體視亮度，D是氣柱亮度，DL0是黑體亮度，k是消光系數(shù)，L是黑體目標距離，s是黑體黑度。按氣象能見度的概念，文獻［2］中給出水平方向黑體及其周邊水平天空構成的視亮度對比小于閾值0.05，其相應的距離為氣象能見距離，即氣象能見度

假定工業(yè)相機拍攝圖片中天空處為基準，那么DL=D′L×A，其中D′L為直接用工業(yè)相機灰度值轉換得到的黑體視亮度，A=1-u是考慮了工業(yè)相機非均勻性的訂正參數(shù)，u是非均勻性參數(shù)。將DL=D′L×A帶入式（6），得

對R進行微分得到

其中，

黑體黑度帶來的能見度誤差和CCD面非均勻性帶來的能見度誤差可能會符號相反，互相抵消一部分，但最大誤差是兩者疊加，因此，在能見度不超過30 km時最大相對誤差約為3.7%。

2 黑 體

2.1 黑體結構

由于在觀測場外架設一個視角（相對在觀測場中的相機）足夠大的物體非常困難，因此租用在相機視場內的房屋。房屋只留一個400 mm×400 mm窗口，內部空間為2500 mm×2500 mm×2600 mm，采用能吸收光線的黑布覆蓋室內6面墻及天花板和地面。從400 mm×400 mm窗口進入的光線被黑布吸收和散射，經(jīng)過多次散射和吸收，使從窗口射出的光線極其微弱。

2.2 白卡測量

使用FieldSpec Pro型光譜儀測得白卡反射率為0.7332，測量方法如下：①將標準白卡和待測白卡如圖2放置，使之正面向陽光；②標準卡測量（探頭垂直向下，離標準卡約25 cm）2次，如此測量待測白卡20次，再測量標準卡2次，由于邊上有污點，所以探測面積始終保持在中心1/2面積內；③對試驗數(shù)據(jù)進行計算分析，按式（11）得到待測卡的反射率。

式（11）中，λ是波長，Rλ是目標反射率，n是目標測量次數(shù)，F(xiàn)iλ是來自目標的反射輻射，F(xiàn)0λ是來自參考板的平均反射輻射，ρλ是測量時刻參考板的反射比因子，它由實驗室測量的參考板BRF雙向反射比因子插值獲得。

圖2 白卡反射率測量Fig.2 White card reflectivity measurement

2.3 黑度和黑度測量

理論上可見光的黑體是一個亮度為零的物體，但實際加工的黑體不可能亮度為零，因此，定義加工的黑體的黑度為出射光與入射光之比。假定黑體的入射光光量為L0，出射光光量為L1，黑體的黑度為

對房屋黑體的黑度測量方法是在窗口下沿放一塊標準白卡，相機鏡頭距離窗口600 mm，相機可同時拍到白卡和窗口（圖3），從相機拍攝到的圖片讀取白卡和窗口的亮度數(shù)據(jù)，將窗口的亮度作為出射光亮度，白卡的亮度除以0.7332作為入射光亮度，兩者的比值為黑度，實測房屋的黑度數(shù)據(jù)為0.0018。

標定方法使用近焦廣角段拍攝，作為實際情況中長焦小角度拍攝的衡量標準。

圖3 黑體的黑度測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of blackbody target measurement

3 相機標定

在中國科學院安徽光學精密機械研究所采用積分球進行工業(yè)相機非均勻性和線性標定。積分球主要性能指標：①出光口輸出面非均勻性為0.19%，②角度非均勻性為水平±50°最大偏差0.0154，垂直最大偏差0.0139，③積分球非穩(wěn)定性為0.80%（9 h）。

3.1 工業(yè)圖像非均勻性標定

將相機固定在積分球前的支架上，其光軸垂直于出光口面，相機距積分球出光口30 cm（圖4）。

圖4 CCD拍攝平臺Fig.4 The CCD camera platform

采樣50次取平均值。非均勻性為

式（13）中，u為非均勻性，ˉV為各有效點測量的平均值，Si為各有效點測量值的標準偏差。計算標準偏差

式（14）中，x為樣本值，ˉx為樣本平均值，n為樣本數(shù)量。

圖5a為相機帶長焦鏡頭拍攝照片，圖5b為分析圖，可以看出相機拍攝照片中部值較大，向四周遞減。相機中部1/4面積，面非均勻性為0.24%。

3.2 工業(yè)相機線性標定

將積分球的光源在24盞、16盞、8盞、4盞的情況下，光圈固定，快門也固定為250μs，得到灰度與亮度的對應關系數(shù)據(jù)（表1）和數(shù)據(jù)曲線（圖6）。

圖5 帶長焦鏡頭CCD拍攝圖（a）及三維示意圖（b）Fig.5 CCD with telephoto lens shooting figure（a）and 3D sketch（b）

表1 積分球不同燈盞亮度灰度數(shù)據(jù)Table 1 Integral ball lamp brightness of different gray scale data

圖6 亮度-灰度轉換曲線Fig.6 Brightness gray transformation curve

4 試驗結果

由如圖1所示的黑體能見度參考標準系統(tǒng)與前向散射能見度儀進行同步對比，前向散射能見度儀是凱邁公司CJY-2C前向散射式能見度儀，當能見度在10 km以下，CJY-2C相對誤差小于10%，CJY-2C與黑體能見度測量系統(tǒng)的工業(yè)相機相距15 m。

圖7給出了2011年11月6日兩種能見度測量設備測量數(shù)據(jù)的時間曲線（時間為北京時，下同）。黑體測量值小于前向散射能見度測量值，平均相對偏差為-0.26，標準偏差為0.04。

圖8給出了2011年11月8日兩種能見度測量設備測量數(shù)據(jù)的時間曲線。15：02以前黑體測量值大于前散能見度測量值，平均相對偏差為0.07，標準偏差為0.09。15：02以后黑體測量值小于前散能見度測量值，平均相對偏差為-0.16，標準偏差為0.04。

圖7 2011年11月6日黑體能見度數(shù)據(jù)Fig.7 Blackbody visibility data on 6 November 2011

圖8 2011年11月8日黑體能見度數(shù)據(jù)Fig.8 Blackbody visibility data on 8 November 2011

由圖7和圖8可以看出，黑體能見度參考標準系統(tǒng)和前向散射能見度儀測量能見度，在能見度變化的趨勢上具有一致性，但在高能見度（大于8 km）時，黑體能見度參考標準系統(tǒng)測量值大于前向散射能見度測量值，低能見度（小于3 km）時黑體測量值小于前向散射能見度測量值。這種特征可能是因為前向散射能見度儀原理上不能測量大氣中氣溶膠的吸收作用，當能見度高時，氣溶膠較少，對光的吸收作用可以忽略，前向散射能見度儀測量比較準確。當能見度低時，氣溶膠較多，對光的吸收作用較大，而前向散射能見度儀只測量散射衰減，不能測量吸收衰減，測量能見度值可能偏高，導致比黑體能見度測量值大。這只是一個初步分析，證實該結論還需同步觀測氣溶膠溶度和光學特性進行深入研究。

5 小 結

1）以黑體為目標黑體能見度參考標準系統(tǒng)由圖像傳感器和黑體目標組成。結構簡單，自動化運行。

2）黑體能見度參考標準系統(tǒng)的測量誤差來自黑體的黑度和CCD工業(yè)相機的非均勻性。分析可知，能見度在30 km以下，黑體的黑度和CCD工業(yè)相機的非均勻性帶來的誤差約為3.7%。

3）開展黑體能見度測量系統(tǒng)與前向散射能見度儀對比觀測試驗，統(tǒng)計了兩者變化趨勢，相關系數(shù)為0.3～0.6。黑體能見度參考標準系統(tǒng)與前向散射能見度儀測量在能見度變化趨勢上具有一致性，但高能見度時（大于8 km），黑體能見度參考標準系統(tǒng)測量值大于前向散射能見度儀測值，低能見度時（小于3 km），黑體能見度測量值小于前向散射能見度儀測值。

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Experimental Research on Visibility Reference Standard for Blackbody Targets

Ma Shuqing1）Xu Zhenfei2）Mao Jietai3）Liu Daxin1）Zhang Chunbo4）Yang Ling2）Zhen Xiaoqiong2）

1）（Meteorological Observation Center of CMA，Beijing 100081）
2）（Department of Electronic Engineering，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225）
3）（School of Physics，Peking University，Bejing 100871）4）（Beijing Weather Observatory，Beijing 100089）

The reference standard system of blackbody visibility is composed of industrial camera，blackbody and industrial personal computer.With the industrial camera lens facing south，shooting blackbody and sky background，the chosen house is 680 meters away from the camera and the window of the house faces north.A series of extinction processing are finished to ensure the house as a blackbody.The camera takes pictures of the blackbody every 6 seconds.The mathematical model of the reference standard system of blackbody is established according to the definition of meteorological visibility and the Cosimi De’s law，which shows the relationship between the meteorological visibility and sky/blackbody luminosity，and the relationship between the meteorological visibility and the blackbody blackness or the industrial camera image uniformity at the same time.Using the mathematical model，the error caused by the blackbody blackness and image uniformity of the camera is analyzed.When visibility is less than 30 km，the error caused by blackbody blackness and CCD industrial camera’s uniformity of the measured system is about 3.7%.Blackbody blackness is measured by photographic method，putting a standard white card under the blackbody window，and the camera lens is 600 mm away from the window，shooting the white card and window at the same time.The brightness of the window is taken as the light-emission luminance，and the brightness white card divided by 0.7332 is taken as the incident light intensity.The ratio between them is the brightness，and the blackness of measurements for the house is 0.0018.Integrating sphere is used for uniformity and linear calibration of the camera.Compared with the forward scattering visibility instrument measurement and the reference standard system of blackbody visibility，the value of the visibility is consistent，but is greater under high visibility condition，and the value of the blackbody visibility measurement is lower under low visibility condition.Perhaps the cause is that the principle of the forward scattering visibility instrument cannot measure atmospheric aerosol absorption.Under low visibility condition，the aerosol optical absorption effect is larger，and the forward scattering visibility instrument cannot measure the absorption attenuation and measurements may be higher.To confirm this conclusion，further solubility and synchronous observation of aerosol optical properties are needed.

blackbody；black degree；visibility；surface uniformity

馬舒慶，徐振飛，毛節(jié)泰，等.以黑體為目標的能見度參考標準試驗研究.應用氣象學報，2014，25（2）：129-134.

2013-05-23收到，2013-10-28收到再改稿。

公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201106047）

*email：msqaoc＠cma.gov.cn