透射式能見度儀校準(zhǔn)裝置的研制及測量結(jié)果分析

李勍，張瑛欣，張帆，臺宏達(dá)，何華陽，李奕

（1.陜西省計量科學(xué)研究院 國家市場監(jiān)管總局重點實驗室（計量光學(xué)及應(yīng)用），陜西 西安 710100；2.江蘇省計量科學(xué)研究院長度計量研究所，江蘇 南京 210023；3.中國民航大學(xué) 航空氣象系，天津 300300；4.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088）

引言

能見度是大氣中分子、水汽及氣溶膠等粒子對光的吸收與散射的直觀反映，是表征近地表大氣污染程度的重要指標(biāo)之一。氣象學(xué)中對能見度定義為具有正常視力的人在當(dāng)時的天氣條件下能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)出目標(biāo)物的最大水平距離，用氣象光學(xué)視程（meteorological optical range，MOR）來表示[1]。實時、準(zhǔn)確地測量大氣能見度，對航空飛行、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及軍事活動具有重要意義。

目前應(yīng)用于氣象、交通和航海等領(lǐng)域的自動化能見度檢測設(shè)備各式各樣，其中前向散射式能見度儀和透射式能見度儀應(yīng)用最為廣泛，但是在能見度儀的校準(zhǔn)方面，國內(nèi)外并沒有統(tǒng)一的計量技術(shù)規(guī)范。國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有GB/T 26944.3-2011《隧道環(huán)境檢測設(shè)備 第3 部分：能見度檢測器》和JT/T 714-2008《道路交通氣象環(huán)境能見度檢測器》，僅給出了特定用途和行業(yè)對此類儀器產(chǎn)品質(zhì)量和性能的要求，并未給出具有可操作性的校準(zhǔn)方法和明確的溯源鏈。文獻(xiàn)[2]從能見度儀標(biāo)準(zhǔn)器建設(shè)、環(huán)境模擬和檢測方法方面進(jìn)行討論，提出了在能見度環(huán)境模擬試驗方艙內(nèi)實現(xiàn)氣象光學(xué)視程3 km 以下能見度儀檢測的方案。文獻(xiàn)[3]研制了霧環(huán)境模擬艙，可實現(xiàn)10 km～50 km 能見度內(nèi)的模擬還原，并且消除了前向散射式能見度儀中由于空氣不均勻而引入的誤差對測試結(jié)果的影響。文獻(xiàn)[4]利用激光腔增強(qiáng)技術(shù)，搭建了一套開放式能見度儀校準(zhǔn)系統(tǒng)，實現(xiàn)對前向散射式能見度儀的高精度校準(zhǔn)。文獻(xiàn)[5]采用角反射器的單端透射式能見度測量方案，不僅利于校準(zhǔn)透射式能見度儀光路，又增加了基線長度，能擴(kuò)大能見度的測量范圍。世界民航組織相關(guān)文件介紹[6-9]，前向散射式能見度儀通過與透射式能見度儀比對，可以溯源到透射式能見度儀，透射式能見度儀再經(jīng)中性濾光片可溯源到光學(xué)，進(jìn)而形成相對完整的量值溯源鏈。但是在實際應(yīng)用中，中性濾光片的材料表面會對入射光有一定的反射，透射比僅能做到0.93 左右。廠家根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8226.1～8-1999《光學(xué)零件鍍膜》對中性濾光片進(jìn)行鍍膜[10]，通過減反、增透鍍膜可以提高特定光譜范圍內(nèi)的透射比，最高能達(dá)到0.99 左右。但對光譜增透的波段，使用分光光度計作為主標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)某一波長下的光譜透射比，其光譜透射比的測量不確定度并不會因為改變了測量對象而減小[11]。因此，對于透射比大于0.97，乃至0.99 以上的高透射比，仍缺乏有效手段在提高可見光區(qū)全光譜透射比的同時，還能減小透射比參數(shù)的測量不確定度。

因此，本文提出了一種透射式能見度儀校準(zhǔn)裝置，研制了一套超高光譜透射比標(biāo)準(zhǔn)量具，能見度測量范圍能達(dá)到5 m～450 a（a 為基線長度，單位m）之間。其中，在5 m～30 a 區(qū)間使用可見光區(qū)域光譜的中性透射比標(biāo)準(zhǔn)濾光片組進(jìn)行校準(zhǔn)；在30 a～5 000 m 區(qū)間需使用高透射比量具進(jìn)行校準(zhǔn)。本裝置有助于解決現(xiàn)有技術(shù)中高透射比無法準(zhǔn)確測量的問題，大幅提升了能見度儀的校準(zhǔn)能力。針對透射式能見度儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成，扇形濾光片的同心度、線性度及主要不確定度來源進(jìn)行了分析，按照J(rèn)JF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規(guī)定方法，對其測量結(jié)果不確定度進(jìn)行了評定。

1 透射式能見度儀測量原理

透射式能見度儀利用光在大氣中傳播受到的直接衰減原理，將大氣對光的吸收、反射、散射等都作為衰減，以厚度等于基線長度的氣柱為樣本，發(fā)射機(jī)發(fā)射一定強(qiáng)度的光，經(jīng)氣柱衰減后到達(dá)接收器，得到接收光強(qiáng)，再由處理器獲得大氣透過率，反演出能見度，常應(yīng)用于氣象預(yù)報及監(jiān)測（道路、機(jī)場、港口）、邊界安全、海上作業(yè)、隧道煙霧探測等領(lǐng)域[12-15]。根據(jù)Koschmieder 定律，以天空為背景的黑體目標(biāo)物，其與背景視亮度的對比度表示為

式中：Rm為氣象能見距離；ε為視覺對比閾值；σ為大氣消光系數(shù)[16]。結(jié)合Bouguer-Lambert 定律，得到大氣能見度的表達(dá)式：

式中：L為基線長度，指光源到接收器探頭之間的光程；F0為光源發(fā)射功率；F為光線經(jīng)過L長度氣柱衰減后的接收功率。透射式能見度儀的光學(xué)原理圖如圖1 所示。

圖1 透射式能見度儀原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of principle of transmissometer

由式（2）可知，只需測出光源的接收功率與發(fā)射功率的比值，就能反演出能見度。超高光譜透射比的標(biāo)準(zhǔn)量具通過在固定件上設(shè)置扇形遮光體、調(diào)節(jié)有效遮光面積占比，可以將能見度測量范圍的上限大幅擴(kuò)展至20 km，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中一些高能見度的測量及相關(guān)參數(shù)測量不確定度大的問題。

2 透射式能見度儀校準(zhǔn)裝置組成

為提高透射式能見度儀的測量范圍和測量準(zhǔn)確度，需要提高中性濾光片的透射比和減小測量過程中的不確定度。為此，設(shè)計了1 套透射式能見度儀校準(zhǔn)裝置，示意圖如圖2 所示。超高光譜透射比標(biāo)準(zhǔn)量具是一種高速旋轉(zhuǎn)且透射比確定的扇形濾光片，其扇形面積占比可以根據(jù)需求設(shè)定。當(dāng)連續(xù)光（可見光、紫外光或紅外輻射）照射到標(biāo)準(zhǔn)量具上時，部分光透過濾光片射出，部分光透過濾光片外的其他介質(zhì)射出。使用超高光譜透射比標(biāo)準(zhǔn)量具對能見度儀進(jìn)行校準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)有效遮光面積占比，可以大幅提升能見度測量范圍的上限。

圖2 透射式能見度儀校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of transmissometer calibration device

平行光束在大氣中經(jīng)過給定基線長度的光學(xué)路程后，剩余的光通量會有所衰減。若改變遮光體的圓心占比面積，則需要考慮金屬材質(zhì)和玻璃材質(zhì)的透過特性。金屬是完全遮光無透射比的，可絕對溯源到幾何量，但對于透射式能見度儀，透射比與能見度測量范圍成負(fù)相關(guān)。使用金屬濾光片測量能見度時，其遮光面積要足夠小才能測得較大的范圍，但小角度的金屬遮光片一方面在加工過程中較難；另一方面，小角度遮光片在高速旋轉(zhuǎn)過程中易出現(xiàn)位錯現(xiàn)象，從而影響材料的強(qiáng)度。為解決這一難題，設(shè)計了一種玻璃材質(zhì)的濾光片，其自身有透射比，在測量透射比大于0.97時，容許濾光片圓心角度更大，較好地避免了旋轉(zhuǎn)過程中因偏轉(zhuǎn)影響引入的不確定度。此外，透射比標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)會根據(jù)光源的大小及高度自動進(jìn)行對準(zhǔn)，并根據(jù)實際測量的需要啟動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，將不同透射比的扇形濾光片分級驅(qū)動，由此可完成能見度的量值溯源。

校準(zhǔn)系統(tǒng)中的高透射比量具是一種高速旋轉(zhuǎn)的確定透射比的扇形濾光片，當(dāng)扇形裝置的透射比a等于0時，稱為遮光體透射比量具；當(dāng)扇形裝置為透射比a大于0.90 的濾光片時，稱為超高透射比量具。高透射比量具是用來校準(zhǔn)透射式能見度儀的標(biāo)準(zhǔn)器，濾光片的透射比和面積占比對能見度測量結(jié)果的影響如表1 所示，其中T=a×p+1×（1-p）。

表1 濾光片透射比a 和圓心角占比p 對能見度VR 的影響Table 1 Influence of filter transmittance a and central angle ratio p on visibility VR

由表1 可知，面積占比相同時，透射比越高，能見度測量范圍越大；透射比相同時，圓心角占比越小，透射比量值的測量不確定度越小，測量范圍越大。透射比量值的微小變化能引起能見度測量范圍的成倍變化，因此在能見度溯源時，測量范圍的提高需要用高透射比標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 測試實驗結(jié)果與分析

3.1 濾光片圓心角分析

超高光譜透射比標(biāo)準(zhǔn)量具采用高精密加工工藝，扇形濾光片的同心度、切面平整度以及扇面與切面的垂直度是加工制造中的關(guān)鍵技術(shù)問題。加工精度、材料選擇都是影響透射比不確定度的因素。該標(biāo)準(zhǔn)量具的溯源遵循光學(xué)透射比參數(shù)測量的溯源鏈，并優(yōu)先遵循幾何量參數(shù)測量的溯源鏈。

高透射比量具作為主標(biāo)準(zhǔn)器時，先進(jìn)行啟動，使斬光器高速旋轉(zhuǎn)，然后調(diào)節(jié)測量窗口放置位置和角度。為保證濾光片旋轉(zhuǎn)平面垂直于光束，待穩(wěn)定后再讀取儀器示值。在透射式能見度儀校準(zhǔn)裝置中采用了兩種材質(zhì)的濾光片，如表2 所示，A、B 為金屬濾光片；C～G 為玻璃濾光片。當(dāng)濾光片與空氣相間或不透明介質(zhì)相間設(shè)置時，超高光譜透射比標(biāo)準(zhǔn)量具的透射比T也可以計算得到。

表2 兩組濾光片對應(yīng)的能見度理論值Table 2 Theoretical values of visibility corresponding to two sets of filters

由表2 可知，兩種材質(zhì)濾光片的圓心角度趨近相同時，玻璃濾光片的能見度測量范圍是金屬材質(zhì)的約10倍，大幅提高了能見度的測量上限。

3.2 實驗結(jié)果與討論

標(biāo)準(zhǔn)器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于向心力會使圓心發(fā)生偏移，因此對能見度進(jìn)行測量時，要盡可能保證光垂直入射標(biāo)準(zhǔn)器，從而得到最大的反射器接收光。這就要求該儀器要有足夠的靈敏度，同時對濾光片的加工精度也提出了較高要求。

以圖3 為例，我們對加工的7 個濾光片的正反面線性度分別進(jìn)行了測量與分析，得到如下結(jié)果（以金屬和玻璃各取一種為例）：

圖3 濾光片正反面線性度分析Fig.3 Analysis of filter front-back linearity

金屬A 的1～2 面的擬合方程為

交點坐標(biāo)為（95.91，63.06），使用萬能工具顯微鏡測得的實際圓心坐標(biāo)為（96.31，63.10），相對誤差?x=0.42%，?y=0.05%。

金屬A 的3～4 面的擬合方程為

交點坐標(biāo)為（95.80，60.84），使用萬能工具顯微鏡測得的實際圓心坐標(biāo)為（95.93，63.79），相對誤差?x=0.14%，?y=0.09%。擬合結(jié)果如圖4 所示。

圖4 金屬濾光片線性度擬合曲線Fig.4 Linearity fitting curves of mental filter

玻璃F 的1～2 面的擬合方程為

交點坐標(biāo)為（103.92，62.87），使用萬能工具顯微鏡測得的實際圓心坐標(biāo)為（104.00，62.86），相對誤差 ?x=0.03%，?y=0.01%。

玻璃F 的3～4 面的擬合方程為

交點坐標(biāo)為（100.51，64.70），使用萬能工具顯微鏡測得的實際圓心坐標(biāo)為（100.47，64.69），相對誤差?x=0.03%，?y=0.01%。擬合結(jié)果如圖5 所示。

圖5 玻璃濾光片線性度擬合曲線Fig.5 Linearity fitting curves of glass filter

同理，將各組濾光片的垂直度進(jìn)行擬合，計算出理論上的圓心坐標(biāo)。同時，根據(jù)擬合曲線，得到圓心角度如表3 所示。

表3 濾光片加工圓心及能見度相對誤差Table 3 Filter actual center and relative error of visibility

3.3 圓心偏移量分析

為了分析圓心的偏移對能見度測量的影響，假設(shè)濾光片不動，使校準(zhǔn)裝置上的圓孔開始轉(zhuǎn)動，即扇形片與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)交疊面積的變化量。詳細(xì)示意圖如圖6 所示，濾光片的加工是完全對稱的。理想狀態(tài)下，其中心如實線所示，圓心為O，但由于加工誤差，圓心可能會發(fā)生微小偏移。為使結(jié)果更清晰，我們將偏移量取稍大的值，圓心為O'。

圖6 圓心偏移量對能見度測量的影響Fig.6 Influence of circle center offset on visibility measurement

當(dāng)濾光片的實際加工圓心處于中央位置時，校準(zhǔn)裝置旋轉(zhuǎn)1 周后，濾光片掃過的面積S=E+S1+F+S2。若由于其他原因使得濾光片的圓心出現(xiàn)偏移，則濾光片兩端掃過的面積將不再相等。此時，校準(zhǔn)裝置旋轉(zhuǎn)1周，濾光片遮擋的面積仍為S，即兩種情況得到的遮擋面積是相同的，則表明濾光片圓心的偏移量對能見度的測量沒有影響。

此外，使用錐形遮光體時，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整錐體就可復(fù)現(xiàn)第1 透射比和第2 透射比，取兩透射比的差值，即可校準(zhǔn)透射比測量儀的分辨率。這一操作過程幾乎避免了引入除旋轉(zhuǎn)因素外的其他不確定度來源，大幅提升了透射比分辨率的校準(zhǔn)能力。

4 不確定度評定

依據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》規(guī)定方法[17-18]，將標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定劃分為A 類評定和B 類評定。A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度是對在規(guī)定條件下測得的量值用統(tǒng)計分析的方法進(jìn)行評定，用實驗標(biāo)準(zhǔn)差表示；B 類評定信息的來源主要是權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的量值、有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的量值、校準(zhǔn)證書，以及經(jīng)檢定的測量儀器的準(zhǔn)確度等級等。綜合考慮透射式能見度儀校準(zhǔn)原理及實驗過程，對不確定度來源進(jìn)行了分析，其組成部分如下：

1）標(biāo)準(zhǔn)器測量重復(fù)性引入的不確定度u1；

2）切割光線角度誤差引入的不確定度u2；

3）透射式能見度儀示值誤差引入的不確定度u3；

4）標(biāo)準(zhǔn)器在能見度儀實際校準(zhǔn)中的不穩(wěn)定性引入的不確定度u4；

5）實驗室內(nèi)大氣擾動、雜散光干擾和背景輻射等引入的不確定度u5。

根據(jù)以上不確定度來源，對各不確定度分量進(jìn)行如下分析：

1）標(biāo)準(zhǔn)器測量重復(fù)性引入的不確定度u1

校準(zhǔn)裝置按要求調(diào)整后，每個校準(zhǔn)點重復(fù)測量3次，按A 類不確定度評定，標(biāo)準(zhǔn)器測量引入的不確定度計算公式為

式中：Vi為第i次測得的能見度值；n為測量次數(shù)；S(Vi)為能見度測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。以50%的校準(zhǔn)點為例，測量結(jié)果分別為786 m、791 m 和788 m，使用極差法，可得到u1=0.22%。被校儀器分辨力為滿量程的0.1%或0.01%，其引入的不確定度分量約為0.029%或0.002 9%，小于重復(fù)性所引入的不確定度分量，故不考慮儀器分辨力所引入的不確定度分量。

2）切割光線角度誤差引入的不確定度u2

由斬光器旋轉(zhuǎn)平面與光路角度誤差引入的不確定度分量，估計其最大變化量的絕對值為20 m，此項服從三角分布，則此標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2=1.06%。

3）透射式能見度儀示值誤差引入的不確定度u3

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器的檢定證書，按B 類不確定度評定，則透射式能見度儀示值誤差引入的不確定度u3=2.05%。

4）標(biāo)準(zhǔn)器在能見度儀實際校準(zhǔn)中的不穩(wěn)定性引入的不確定度u4

根據(jù)濾光片材質(zhì)的說明給出的技術(shù)指標(biāo)，按B 類不確定度評定，能見度測量范圍在12 m～1 500 m 之間，透射比不確定度u4=2.50%。

5）實驗室內(nèi)大氣擾動、雜散光干擾和背景輻射等引入的不確定度u5

按B 類不確定度評定，u5=1.00%。

以上得到的各分量互不相關(guān)，合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取包含因子k=2，擴(kuò)展不確定度U=kuc=7.10%，則透射式能見度儀校準(zhǔn)裝置的測量不確定度如表4所示。

表4 不確定來源和評定結(jié)果Table 4 Sources of uncertainty and evaluation results

5 結(jié)論

高能見度量值的校準(zhǔn)因受制于缺少可見光全光譜高透射比標(biāo)準(zhǔn)器，導(dǎo)致無法有效溯源。本文基于透射式能見度儀的測量原理，設(shè)計出一種透射比標(biāo)準(zhǔn)量具及透射比校準(zhǔn)裝置。本裝置提高了透射比測量范圍的上限，大幅提升了透射比測量裝置在進(jìn)行透射比量值校準(zhǔn)時的測量范圍，相對擴(kuò)展不確定度為7.10，提升了校準(zhǔn)分辨率，能滿足計量機(jī)構(gòu)對能見度儀測量精度的要求，并為能見度的溯源問題提供了一種可行的解決方法。