2024年2月21日發(作者:魏橋實驗學校)

第35卷第2期Vol.35No.2紅外與激光工程InfraredandLaserEngineering2006年4月Apr.2006基于光散射技術的兩種能見度探測方法的比較分析韓永1,2*,謝晨波1,饒瑞中1,周軍1,王英儉1(中國科學院安徽光學精密機械研究所大氣光學重點實驗室,安徽合肥230031;2.中國科學院研究生院,北京100039)摘要:為了提高大氣能見度的儀器探測水平,并驗證自行研制的車載式拉曼激光雷達探測大氣水平能見度的可靠性,使用1種基于可見光波段的前向散射能見度儀,與基于后向散射原理的拉曼激光雷達進行了聯合試驗,對兩者測量結果,進行了分析和討論,結果表明這兩種探測手段具有較高的相關性。同時,通過對前向散射原理的探討,為能見度儀的國產化提供了參考,也檢驗了國內首臺車載式拉曼激光雷達在測量能見度方面的可靠性,擴展了它的應用領域。關鍵詞:光散射;激光雷達;能見度儀;前向散射;后向散射中圖分類號:O648;P423文獻標識碼:A文章編號:1007-2276(2006)02-0173-04Comparisonandanalysisoftwovisibilitydetectingmethodsbasedonopticalscattertechnology*HANYong1,2,XIEChen!bo1,RAORui!zhong1,ZHOUJun1,WANGYing!jian1(1.KeylaboratoryforAtmosphericOptics,AnhuiInstituteofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China;2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)Abstract:Twotypesofmethodsofmeasuringatmospherichorizontalvisibilityarepresented.Oneisbasedonabandofvisibleopticalforwardscatteringvisibilitysensor;theothermethodisbasedonthetheoryofbackwardscatteringoflidar.Thecontrastanalysisanddiscussionsofthetwomeasurementresultsrevealthatthetwodetectiblemethodsarecoherent.ItisproventhatthefirstmobileRaman-lidarforthemeasurementofvisibilityisreliable,therefore,theapplicationfieldofthemobileramanlidarisexpanded.Keywords:Lightscattering;scatteringLaserlidar;Visibilitysensor;Forwardscattering;Backward0引言能見度是氣象觀測的常規項目,它反映了大氣渾濁的程度,是表征近地表大氣污染程度的一個重要參收稿日期:2005-05-19;修訂日期:2005-08-10量,對航空、航海、陸上交通以及軍事活動都有重要影響。在氣象學中,能見度是識別氣團特性的關鍵參數之一,它代表當時的大氣光學狀態,預示著天氣的變3]化,在天氣預報和環境監測上具有實際意義[1~。*基金項目:國家863計劃項目資助課題作者簡介:韓永(1975-),男,安徽懷遠縣人,博士生,從事大氣光學、輻射傳輸、氣溶膠物理光學特性、衛星遙感和信息獲取方面的研究。
174紅外與激光工程第35卷18世紀后半期,法國研究者Bouger提出了大氣透明度的概念,19世紀,LordRayleigh解決了關于空氣和其他小球形粒子散射問題,W.E.Middleton的專著中包含了關于能見度的理論及相關的研究;1924年,Koschmieder提出了在各種大氣情況下關于目標物的可視范圍的基礎理論;1965年,美國空軍劍橋研究實驗室出版了一本關于地球環境的理論、大氣光學和電磁波通過大氣的透過率方面的書,這些論述奠定了能見度的理論基礎;1700~1998年的研究為高級能見度傳感器的發展奠定了基礎,并且使可視技術得到了加強。此外還有攝像法和激光雷達測法,透射表測6]量方法簡單,用于很多重要機場的跑道上[4~。ε=e-rσr=-lnεσ(1)(2)式中:r為目標物和觀測者之間的距離;ε是對比度閾值;σ為大氣水平消光系數。世界氣象組織規定,對于氣象能見度,視角閾值取ε=0.02,它相當于目標物消失時的距離。能見度和消光系數的關系可表示為:V0.02=-ln(0.02)=3.912(氣象能見度)σσV0.05=-ln(0.05)=2.996(MOR)σσ(3)(4)2兩種能見度探測方法2.1前向散射能見度儀圖1和圖2示出了前向散射能見度儀的結構和光電原理。前向散射能見度儀由發射器、接收器、電源目前我國大部分氣象臺站仍采用人工目測方法來確定能見度。目測能見度主觀因素較多,誤差往往較大,特別是夜間能見度的目測結果誤差更大,不能滿足許多實際應用的需要。有些氣象臺站用的是中心波長為紅外波段的前向散射能見度儀,需要從紅外向可見光波段換算,這就增加了一個誤差源。鑒于此,選擇直接利用可見光的儀器作為探測光源,進一步減少了測量誤差,有利于提高測量精度。測量結果與安徽光機所自行研制成功的國內首臺車載式拉曼激光雷達(RML)測量的結果進行對比。一方面探討了兩者的相關性,另一方面檢驗了RML測量能見度的可靠性。圖1前向散射能見度儀光路圖Fig.1Wayofopticsinforwardscatteringvisibilitysensor1大氣消光和能見度光的散射包括大氣分子、小粒子、大粒子和液滴8]等同時進行的散射[7~。當以測量低能見度為主時,多考慮煙、霾、霧等大粒子散射。通常光衰減用σ表示(用530或550nm作為可見光區的基準波長)。氣象上對能見度的定義是:標準視力的眼睛觀察水平方向以天空為背景的黑體目標物(視角在0.5° ̄)時,能從背景上分辨出目標物輪廓的最大水平距5°離稱為氣象能見距。此外,世界氣象組織將“氣象光學視程”色溫為2700K的白熾燈的平(MOR)定義為“行光束,光通量變為其初始值的5%時所通過的大氣路徑長度”。根據以上定義,儀器探測能見度的核心問題是如何準確獲取大氣的消光系數。由Koschmieder定律可知,對以水平天空為背景的黑體目標物,目標物和背景視亮度對比可以表示為:圖2前向散射能見度儀光電原理Fig.2Theoryofelectricitycollectivityinforwardscatteringvisibilitysensor/控制器和機架等部分組成,采用可見光源的前向散射體制、交叉光路結構,發射器和接收器之間的距離為1200mm,主散射角為33°,儀器工作時,發射器通過可見發光管發出一中心波長為550nm的可見光入射到大氣中,接收器將約0.02m3的大氣前向散射光匯集到光電傳感器的接收面上,并將其放大處理,轉
第2期韓永等:基于光散射技術的兩種能見度探測方法的比較分析175換為與大氣能見度成反比關系的電信號。此信號經處理后送至控制器的數據采集板,經CPU取樣和計算得到大氣能見度的值,并通過RS-232長線驅動器送至計算機進行顯示和輸出。表1RML激光雷達能見度測量部分的主要性能指標Tab.1SpecificationofRMLlidarsystemLaseremitterDetectorandreceiverDatacollectedandcontrolcell2.2基于后向散射的RML激光雷達2.2.1RML激光雷達獲取能見度的原理通常大氣在水平方向上是比較均勻的,因此水平方向上測量的激光雷達方程可寫為:LaserNd:YAG(CONTINUUMPowerlite8020)Wavelength532nmAmplifierPHILLIPSTelescopeCassegrainMODEL777(Meade16"AmplificatorymultipleLx200GPS)2 ̄50Receivercaliber400mmReceiverfieldrange0.5 ̄3mradFilterBarrInc.Bandwidth0.3nmDetectorH7680/H7680-01Quantaefficiency20%Bandwidth200MHzVNoise25μCollectionCompuscope1610Samplespeed10M/sSampleprecision16bitControlmachineWeidaWS-855P(R)=CR-2βexp(-2σR)(5)式中:P(R)是激光雷達接收的大氣后向散射回波功率,W;C是激光雷達系統常數,Wkmsr;β是大氣水3Pulseenergy150mJStability±3.5%Repeatfrequency20HzAngleofdivergence<0.45mrad平體后向散射系數,km-1sr-1;σ是大氣水平消光系數,km-1。對公式(5)兩邊取對數并對距離R求導得:2d(ln(P(R)R))=1dβ-2σdRβdR(6)Pulsewidth6 ̄8ns由于已假定大氣水平均勻,故dβ/βdR=0。因此,對ln(P(R)R2)和R進行最小二乘法線性擬合,擬合直線斜率的一半則是532nm波長的大氣水平消光系數3測量結果分析及對比檢驗基于可見光波段的能見度儀,根據氣溶膠粒子的以合肥為例,對比前向散射特性,測量氣象光學視距。試驗在17:00開始,持續時間約為1h。圖3(a)、(b)σ,它包含來自大氣中氣溶膠粒子和空氣分子的共同貢獻,此即所謂的斜率法。此外,由于RML激光雷達測量的實際回波信號中包含天空背景輻射和各種電子儀器的本底熱噪聲,因此在大氣水平能見度數據處理前必須進行背景信號的扣除。2.2.2結構和技術參數RML激光雷達主要由三部分組成:激光發射單元、信號接收與探測單元以及數據采集和控制單元。激光發射單元主要包括激光器和發射鏡片組。在工控機運行控制程序的指令下,Nd:YAG激光器以20Hz的重復頻率發射波長532nm的激光,經過發射鏡片組最終由望遠鏡轉軸上的反射鏡發射到大氣中。透射后的532nm回波信號進入氣溶膠探測通道。在測量大氣水平能見度時,首先將RML激光雷達調整為水平狀態,設置好適當的接收視場和門控時間以及光電倍增管的增益大小,然后向大氣發射2000發激光脈沖并采集其回波信號,最終利用能見度計算軟件得出大氣水平能見度數值。整個測量過程約持續2 ̄3min。表1給出了RML激光雷達能見度測量部分的主要性能指標。圖3測量結果相對誤差及能見度隨采樣數的變化Fig.3Measuringresultandrelativeerrorchangeofvisibilitywithsamplenumber分別為2004年9月21、24日和10月10日RML激光
176紅外與激光工程第35卷雷達與前向散射能見度儀測量結果比較及相對誤差與能見度隨采樣數的變化。可以看出,大氣水平能見度從9月21日的13.8km減小到24日的4.9km,然后在10月10日上升為6.5km左右,傍晚時分隨著時間的增加,能見度隨之降低,原因是日落使得熱力對流活動減弱,逆溫層產生,污染物重新集結使得大氣能見度下降。通過線性擬合可知,兩者之間的線性相關性很好,數據點基本上等概率分布于直線的兩側,最大相對偏差為11.12%。實際意義。通過對決定大氣水平能見度的消光系數以及兩種探測能見度方法的分析可知:要想獲得能見度就必須首先獲得大氣消光系數;另一方面對前向散射原理的探討為能見度儀的大規模國產化提供參考,同時也驗證了安徽光機所自行研制的國內首臺車載式拉曼激光雷達在測量能見度方面是可靠的(主體功能是進行水汽探測),從而擴展了車載式拉曼激光雷達的應用領域。4兩種儀器的測量精度和影響因素基于可見光波段的前向散射能見度儀的測量精度為±10%,工作時的環境溫度為-40 ̄50℃,相對濕度為5% ̄100%RH,最大風速為17m/s,能見度測量范圍為15m ̄59.6km,安裝時盡量遠離高大的建筑物和無線電發射裝置,盡量不在陰雨天氣情況下工作。對于RML激光雷達,根據誤差傳遞原理,假設在激光傳輸路徑上近、遠2點RB和RE距離處,RML激光雷達所接收的回波功率分別為P(RB)和P(RE),則RML激光雷達探測大氣水平能見度RV的相對誤差為:參考文獻:[1]MIDDLETONWE.VisionThroughTheAtmosphere[M].Canada:UniversityofTorontoPress,1958.[2]KOSCHMIEDERVH.TheoriesderhorizontalenSichtweite[Z].BeitrPhysfreierAtm,1924,12:33-53;171-181.[3]WANGYi,FANWei,CHENXiu"hong,etal.Effectofcloudonthetarget"backgroundcontrast[J].InfraredandLaserEngineering(王毅,范偉,陳秀紅,等,云的光學特性對目標"背景對比度的影響分析.紅外與激光工程),2005,34(3):381-286.[4]XIEChen"bo,HANYong,LIChao,etal.MobilelidarforvisibilityΔRVΔRV=RV7.82(RE-RB)!ΔP(RB)ΔP(RE)2ΔRB2ΔRE++++P(RB)P(RE)RBRE"(7)measurement[J].HighPowerLaserandParticleBeams(謝晨波,韓永,李超,等.車載式激光雷達測量大氣水平能見度.強激光與粒子束),2005,17(7):971-975.RBΔRBREREΔ+RE-RBRBRE-RBRE[5]KLASSP.Forward"scatterRVRaimstocutweatherdelays[J].AviationWeek&SpaceTechnology,1998,39-40.[6]KOPEIKANS.Effectsofaerosolsonimagingthroughtheat"mosphere:areviewofspatialfrequencyandwavelengthdepend"enteffects[J].OpticalEngineering,1985,24(4):707-712.[7]LILi,GAOZhi"yun,WANGXia,etal.Effectsofforwardscatteringoffogonrange"gateimagingsystem[J].InfraredandLaserEnginee"ring(李麗,高稚允,王霞,等.霧的前向散射對距離選通成像系統的影響.紅外與激光工程),2004,33(6):562-566.例如:設RB=1km,RE=5km,RML激光雷達在這2個距離處的測量信號的誤差分別為ΔP(RB)/P(RB)=0.03和ΔP(RE)/P(RE)=0.05,測量距離的誤差為ΔRB/RB=ΔRE/RE=0.05。這樣,當能見度RV=10km時,有ΔRV/RV=16%。RML激光雷達的測量一般在大氣水平均勻、非陰雨天氣進行,以保證測量數據準確可靠。5結論大氣水平能見度是表征近地表大氣污染程度的重要物理量,對航空、航海、陸上交通以及軍事活動都有重要影響,因此,發展能見度探測手段具有重要的[8]RENZhi"bin,LUZhen"wu,ZHUHai"dong,etal.Studyonmic"rospherelightscattering[J].InfraredandLaserEngineering(任智斌,盧振武,朱海東,等.微球體光散射的研究.紅外與激光工程),2004,33(4):401-404.#####################################################################敬告讀者:本刊現已開通在線投稿系統,歡迎登陸本刊主頁(http://irla.vip.sina.com)進行投稿。
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