一種大氣能見(jiàn)度和湍流強(qiáng)度同步測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)

高 鵬，韓 永

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101；2.南京大學(xué)，江蘇 南京 210093)

0 引 言

大氣能見(jiàn)度測(cè)量技術(shù)的研究始于1957年，Koshmieder定律的建立為研究大氣能見(jiàn)度測(cè)量技術(shù)奠定了基礎(chǔ)[4]。大氣能見(jiàn)度的測(cè)量方式主要有2種，分別是前向散射式和透射式。前向散射式能見(jiàn)度儀具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是測(cè)量誤差比較大[5]。透射式能見(jiàn)度儀通過(guò)測(cè)量大氣透過(guò)率來(lái)得到能見(jiàn)度的值，測(cè)量精度比較高，但是現(xiàn)有透射式能見(jiàn)度儀并未考慮大氣流場(chǎng)對(duì)能見(jiàn)度測(cè)量的影響，可能存在測(cè)量偏差。目前國(guó)產(chǎn)前向散射式能見(jiàn)度儀已在我國(guó)一些氣象部門使用；我國(guó)最早研制出的透射式能見(jiàn)度儀是長(zhǎng)春氣象儀器研究所研制的TS型投透射儀。盡管如此，我國(guó)大部分氣象部門、機(jī)場(chǎng)以及交通道路上所使用的仍然是國(guó)外研制的能見(jiàn)度探測(cè)儀器。芬蘭VAISALA公司研制的LT31透射儀是國(guó)際上最具代表性的、普遍應(yīng)用于我國(guó)的機(jī)場(chǎng)和氣象站[6-7]。

對(duì)于大氣湍流的研究，已有近半個(gè)世紀(jì)的歷史。1977年，Wang等人利用較大非相干光學(xué)發(fā)射和接收系統(tǒng)測(cè)量出大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2[8]。1999年，Muschinski等人通過(guò)分析風(fēng)廓線雷達(dá)垂直方向上的返回信號(hào)的功率譜，得到了當(dāng)?shù)卮髿庹凵渎式Y(jié)構(gòu)常數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)[9]。2001年，Mitev等人研究了接收端激光光束截面圖像的飽和度，測(cè)得了大氣湍流強(qiáng)度[10]。2005年，周孟蓮等人使用AMK-02型超聲波大氣參數(shù)綜合測(cè)量?jī)x也測(cè)量得到了大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)Cn2[11]。2007年，Sun等人基于薄光束在大氣中傳播的理論研究出了測(cè)量大氣湍流外尺度參數(shù)信息的新方法[12]。2015年，袁仁民等人利用大孔徑閃爍儀研究出了測(cè)量城市表層大氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)虛部的新方法[3]。

然而，現(xiàn)有的常規(guī)儀器忽略了湍流氣團(tuán)和氣溶膠粒子之間的相互影響，其測(cè)量結(jié)果可能存在偏差[13]。一方面大氣湍流帶動(dòng)氣溶膠粒子運(yùn)動(dòng)，另一方面氣溶膠粒子也拖曳湍流氣團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，它們之間的伴隨與跟隨、遲滯與阻礙、拖曳與被拖曳之間的關(guān)系使得我們?cè)谔綔y(cè)大氣能見(jiàn)度(消光系數(shù))和大氣湍流特征時(shí)，應(yīng)該同時(shí)考慮它們之間的相互作用，這也是研究、監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)污染物擴(kuò)散分布中的重要環(huán)節(jié)。為了克服這一不足，準(zhǔn)確測(cè)量大氣能見(jiàn)度和湍流強(qiáng)度，本文研究了一種大氣能見(jiàn)度和湍流強(qiáng)度同步測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)(AVTOM)，同步獲取大氣能見(jiàn)度和大氣湍流強(qiáng)度。

1 測(cè)量原理

1.1 大氣能見(jiàn)度測(cè)量原理

大氣能見(jiàn)度由大氣消光系數(shù)決定，通常通過(guò)測(cè)量消光系數(shù)來(lái)求得大氣能見(jiàn)度[14]。氣象光學(xué)距離(MOR)是指由白熾燈發(fā)出的色溫為2 700 K的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過(guò)的路徑長(zhǎng)度，世界氣象組織(WMO)建議采用這個(gè)物理參量來(lái)闡述能見(jiàn)度的觀測(cè)[15]。

按照布格-朗伯定律，平行光在大氣中的衰減可以表示為：

F=F0e-σL

(1)

式中：F為接收光通量；F0為初始光通量；σ為消光系數(shù)；L為基線長(zhǎng)度。

如果用RMO表示氣象光學(xué)距離，即光通量衰減至5%所經(jīng)過(guò)的距離：

3.抗風(fēng)險(xiǎn)的能力較差。有相當(dāng)部分規(guī)模豬場(chǎng)，由于對(duì)市場(chǎng)開(kāi)拓不夠，產(chǎn)品質(zhì)量不高，其經(jīng)濟(jì)效益受到影響。同時(shí)規(guī)模豬場(chǎng)面臨著農(nóng)村養(yǎng)豬戶和國(guó)外現(xiàn)代化養(yǎng)豬場(chǎng)的雙重夾擊，日后競(jìng)爭(zhēng)將趨熾熱化。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人民生活水平逐漸提高，同時(shí)也加大了勞動(dòng)力成本和飼料成本，有資料分析，玉米漲10%，豬肉漲5.3%，大豆?jié)q10%，豬肉漲7.8%。因此，必須在財(cái)務(wù)上，在管理、技術(shù)、生產(chǎn)和市場(chǎng)方面增加抗風(fēng)險(xiǎn)的能力。

(2)

式中：ε為視覺(jué)對(duì)比閾值，根據(jù)國(guó)際氣象組織的規(guī)定，ε=0.05[16]。

根據(jù)公式(2)，大氣能見(jiàn)度的大小只和大氣消光系數(shù)有關(guān)。因此，精確探測(cè)消光系數(shù)可以提高大氣能見(jiàn)度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。消光系數(shù)由公式(3)決定[17-18]：

(3)

式中：P為光檢測(cè)器探測(cè)到的光功率；P0為光源的發(fā)射功率；D為接收端的口徑；L為基線長(zhǎng)度；θ為光源的發(fā)散角；k為常數(shù)，由儀器校準(zhǔn)結(jié)果決定。

因?yàn)镻0、D、L和θ均為常數(shù)，因而可以獲得大氣消光系數(shù)：

(4)

1.2 大氣湍流強(qiáng)度測(cè)量原理

根據(jù)光傳輸理論，波長(zhǎng)為λ的球面波經(jīng)過(guò)大氣湍流進(jìn)行傳播，如果以I表示光強(qiáng)，則在傳播距離L處，直徑為D的孔徑內(nèi)接收的對(duì)數(shù)光強(qiáng)起伏方差為[19]：

(5)

式中：k為光波數(shù)，k=2π/λ；K為空間波數(shù)；γ為球面波的傳播因子，γ=z/L；Φn(K)為折射率起伏的空間譜密度，可表示為:

(6)

F(K)=

(7)

(8)

式中：〈〉表示統(tǒng)計(jì)平均。

綜上，可推出大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)測(cè)量的原理公式：

(9)

式中：光波數(shù)k、基線長(zhǎng)L、接收孔徑D均已給定。

(10)

2 設(shè)計(jì)方案

本文探測(cè)系統(tǒng)采用雙端式探測(cè)方式，分為發(fā)射端和接收端。圖1是系統(tǒng)工作示意圖，光束由LED光源發(fā)出，經(jīng)過(guò)斬波器調(diào)制頻率，再經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭進(jìn)行準(zhǔn)直后從發(fā)射端出射。光束在大氣中傳播時(shí)，由于氣溶膠粒子以及湍流氣團(tuán)的影響，發(fā)生散射、吸收、閃爍、漂移和擴(kuò)展等光學(xué)效應(yīng)。光束到達(dá)接收端之后，由接收端聚焦透鏡組會(huì)聚至光檢測(cè)器上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出。再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送至PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)公式計(jì)算得到大氣能見(jiàn)度和湍流強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果。圖中激光器1和2分別發(fā)出波長(zhǎng)為650 nm和532 nm的光束，用于發(fā)射端和接收端輔助對(duì)準(zhǔn)。發(fā)射端和接收端都安裝窗口鏡，可以防止內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)受到污染。本文測(cè)量系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端之間的基線長(zhǎng)度L設(shè)為30 m。

圖1 系統(tǒng)工作示意圖

2.1 發(fā)射端

發(fā)射端模塊包括光源、信號(hào)源、斬波器、光源驅(qū)動(dòng)電路、激光輔助對(duì)準(zhǔn)設(shè)備和溫控模塊等部分。圖2為發(fā)射端結(jié)構(gòu)示意圖。在本系統(tǒng)中，LED光源選擇Cree公司的暖白光源，中心波長(zhǎng)620 nm。世界氣象組織推薦使用寬光譜光源測(cè)量能見(jiàn)度，因?yàn)槭褂谜庾V光源會(huì)導(dǎo)致在某些天氣現(xiàn)象下產(chǎn)生測(cè)量誤差。而臭氧對(duì)波長(zhǎng)620 nm的光吸收比較微弱，可以讓氣溶膠成為光衰減的主要原因，降低臭氧的干擾。信號(hào)源和斬波器的作用主要是將光源調(diào)制為固定頻率光信號(hào)輸出，本系統(tǒng)中光源的輸出頻率為10 kHz。光源調(diào)制為高頻率輸出，可以增加探測(cè)大氣湍流強(qiáng)度的準(zhǔn)確性。光源驅(qū)動(dòng)電路主要用來(lái)給光源供電。

圖2 發(fā)射端結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 接收端

接收模塊包括光檢測(cè)器、放大器、濾波器、A/D轉(zhuǎn)換模塊等部分。圖3為接收端結(jié)構(gòu)示意圖。接收模塊中的光檢測(cè)器選擇光電倍增管，用于將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。光電倍增管具有較高的靈敏度，其響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)高，并且具有較大的工作電流。放大器由晶體管、電源變壓器等元器件組成，主要作用是將光電倍增管輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理。濾波器用于將信號(hào)頻率以外的噪聲信號(hào)濾除，提高信噪比。A/D轉(zhuǎn)換模塊的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸至后端工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖3 接收端結(jié)構(gòu)示意圖

3 測(cè)量結(jié)果和比較

圖4表示由AVTOM夏季測(cè)量得到的大氣能見(jiàn)度和大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的結(jié)果。由圖4可知，在22∶24測(cè)得大氣能見(jiàn)度最小值為4.02 km，在23∶19測(cè)得大氣能見(jiàn)度最大值為5.99 km。大氣能見(jiàn)度測(cè)量結(jié)果集中在4～6 km之間。大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的測(cè)量結(jié)果主要集中在10-13m-2/3和10-12m-2/3之間。有研究發(fā)現(xiàn)，靠近地面的大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的值一般在10-14m-2/3和10-13m-2/3之間[22]。

圖4 AVTOM測(cè)量結(jié)果

使用OSI OWI-430能見(jiàn)度儀和CAST3A三維超聲風(fēng)速儀對(duì)大氣能見(jiàn)度和大氣湍流強(qiáng)度進(jìn)行同步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，并將測(cè)量結(jié)果與AVTOM測(cè)量結(jié)果相比較。OSI OWI-430能見(jiàn)度儀是前向散射能見(jiàn)度儀，由美國(guó)研制，可以測(cè)量大氣能見(jiàn)度、降水強(qiáng)度和狀態(tài)等。這臺(tái)儀器每分鐘測(cè)量一次數(shù)據(jù)，它測(cè)量范圍是1～10 000 m，測(cè)量精度是10%～15%，工作溫度是-40～+50 ℃。CAST3A是三維超聲風(fēng)速儀，主要用于測(cè)量風(fēng)速、風(fēng)向和大氣湍流強(qiáng)度。

圖5顯示了AVTOM和OSI OWI-430測(cè)量結(jié)果的比較，X軸表示時(shí)間，Y軸表示能見(jiàn)度，輸出結(jié)果的時(shí)間間隔為1 min。由圖5可知，對(duì)于大氣能見(jiàn)度的測(cè)量而言，AVTOM和OSI OWI-430的測(cè)量結(jié)果均為4 km和6 km之間，它們的相對(duì)偏差為4.7%。

圖5 AVTOM和OSI OWI-430的結(jié)果對(duì)比

圖6顯示了AVTOM和CAST3A測(cè)量結(jié)果的比較。X軸表示時(shí)間，Y軸表示大氣折射率強(qiáng)度。輸出結(jié)果的時(shí)間間隔為30 min，由圖6可知，對(duì)于大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)而言，AVTOM和CAST3A的測(cè)量結(jié)果均為10-13～10-12m-2/3，并且它們平均值的相對(duì)偏差為3.5%。

圖6 AVTOM和CAST3A的結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

本文提出了一種大氣能見(jiàn)度和湍流強(qiáng)度同步測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，采用透射式測(cè)量方式，分別利用消光原理和光強(qiáng)起伏原理測(cè)量這2個(gè)氣象參數(shù)。本文首先從大氣能見(jiàn)度和湍流強(qiáng)度測(cè)量原理出發(fā)，理論研究了大氣能見(jiàn)度和湍流強(qiáng)度同步測(cè)量系統(tǒng)的可行性。其次根據(jù)測(cè)量原理進(jìn)行了系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。最后，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和對(duì)比，對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了分析和比較。比較結(jié)果表明，AVTOM所測(cè)大氣能見(jiàn)度的結(jié)果與OSI OWI-430前向散射能見(jiàn)度儀測(cè)量結(jié)果的相對(duì)偏差為4.7%；AVTOM所測(cè)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的結(jié)果與CAST3A三維超聲風(fēng)速儀測(cè)量結(jié)果的相對(duì)偏差為3.5%。下一步將根據(jù)測(cè)量結(jié)果研究這兩者的內(nèi)在聯(lián)系，從而減小由于其相互影響造成的測(cè)量誤差。