后向散射式激光能见度仪的研制 (1)

高速光子计数
系统指标
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工作方式
连续，全自动工作
通讯方式
可联网
工作环境
5℃--40℃
总体重量
< 20Kg
工作采样范围
0---20 千米
可选方式
水平旋转扫描测量
4 实测数据
利用研制的后向散射激光能见度仪进行了相关采集测试工作。如图 2 是能见度测量信 号的反演计算。图中圆点表示是利用式（6）计算得到的信号与距离平方的乘积 P(z)Z2 同距
∫ ( ) 气消光系数（ KM −1 ）；exp⎢⎣⎡− 2
zα
z0
z'
dz
'
⎤ ⎥⎦
大气往返透过率。
（5）是从距离 z0 到距离 z 处
对于方程（4），假设从距离 z0 到距离 z 的大气是混合均匀的，那么大气后向散射系数
和消光系数即 β (z)和α (z) 可以认为是常量，变形后等号两边同时取对数，可以得到式（6），
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Bb > Bt
（1）
K = Bt − Bb Bt
Bt > Bb
（2）
上式中的各量与人眼视觉光谱特性有关，当 K 小于人眼对比阈值ε时，目标物不能被人眼
识别，而 K 大于人眼对比阈值时则能够被识别，一般正常视力的对比阈值为 0.02，在航空
管理上推荐的阈值是 0.05。
因为目标物被观测者识别时其亮度已经被目标物与观测者之间这一段大气柱衰减，假定这一
激光稳定性和光学镜面的清洁度影响较大。数字摄影法实际是对天空亮背景和黑体或目标灯
光进行测量，其基本原理类似于目测，需要有固定的目标物。而散射法则无需固定的目标物，
在这里前向散射和后向散射又不相同，前向散射利用粒子35度左右的散射信号，也就是前向
散射式能见度仪光的发射接收单元是呈一定角度，且距离不远，在六十厘米左右，所以其采
根据以上基本要求，选取了波长为 532nm，单脉冲能量为 10μJ 的半导体泵浦的全固态 小型激光器为光源，采取了优化的发射接受同轴光学系统和紧凑的机械结构设计，使整个系 统的体积、重量达到预设的目标，并保证了仪器长期工作的稳定性。波长接近人眼最敏感的 波长，能量低，且此波长为较常见的激光波长，因此成本上相对来说不高。为达到全自动在 各种环境条件下稳定工作的目的，采取了一些必要保温、防潮措施，同时在各个关键部位增 加了监测和自动调节机构，确保仪器的环境适应能力。
图 2 水平能见度测量计算
图 3 不同原理测量能见度的对比
图 3 是 BELFFORT 公司生产能见度仪(Model 6230A）与后向散射式能见度仪的对比图。 观测对比结果见图。两者测量能见度有相当好的一致性。
图 4 是在河北张北测量的一整天的大气能见度随时间的变化图。
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5 小结 介绍了一种利用后向散射式实用化的激光能见度仪，并利用此能见度仪进行了实际测
段气柱为混合均匀，因此根据 BEER 定律，结合式（1）、(2)可推导出能见度方程如（3）式
所示，
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V = − ln ε α
（3）
式中α 为观察者与目标物间的大气消光系数，单位 KM-1，V 为能见度单位 KM。
2.2 激光雷达方程及能见度处理方法
利用后向散射信号测量大气能见度，工作过程是将一束激光发射到大气中，再按照一定
=
P0CZ
−2β (z) exp[−2
z α (z ' )dz ' ]
z0
（4）
式中， P0 为激光发射功率（W ）；C 是激光雷达系统常数（W * KM 3 * Sr1 ），与雷达系统
的各个部件有关； β (z)是距离 z 处大气后向散射系数（ KM 3 * Sr −1 ）；α (z) 是距离 z 处大
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（3）环境适应能力。作为全天候长期工作的仪器，需要适应夏天的高温、冬天的低温，雨 雪天气等不同的恶劣环境，对于精密光学仪器来说这种条件是非常苛刻的，因此采取一些适 当的保护监测措施是必须的。 （4）稳定性。光学仪器普遍存在的问题是在不同工作环境下长期使用时，由各种光电器件 和系统自身结构带来各种微小变化，有些微小变化会造成整个系统的失效，因此，这也是后 向散射式激光能见度仪在设计安装时需要重视的问题。 （5）总体体积、重量。作为常规气象参数测量仪器，在广泛使用时，不应太多的受到安装 位置的限制，也不应该由多人来完成安装，仅一个人就能够完成安装和移动，仪器体积和重 量不宜过大过重。 （6）自动化程度。器测能见度需要客观、无人值守、全自动的测量。需要考虑对工作状态 的监测和控制。 3.2 基本结构
后向散射式激光能见度仪的研制
徐赤东 纪玉峰 （中国科学院大气成分与光学重点实验室，安徽合肥，230031） 摘要：在介绍了常见的测量大气能见度的各种方法后，重点介绍了后向散射式能见度测量 的基本原理和能见度计算反演方法。展示了新研制的后向散射式激光能见度仪的设计思想和 总体结构，并给出了具体参数和指标。最后提供了实测对比数据，表明了后向散射式激光能 见度仪测量的可靠性。 关键词：后向散射 激光 能见度仪
能见度值的高低反应了观测路径上大气状况，直接影响到人类活动，是气象观测要素之
一。能见度对天气系统、交通安全、光学观测、激光通讯、大气污染等很多方面起到重要作
用。我国气象行业标准中将气象能见度分为白天和夜间两种定义[1]，但都是以能分辨目标
物ห้องสมุดไป่ตู้最大距离来定义。
1．能见度测量一般方法
对于能见度的测量可分为目测和器测两大类。目测主要是由经过训练的有经验的观测人
员对不同距离上固定目标进行识别，这与观测者以及观测者当时的身体状况、目标物的距离
分辨率上都有关系，因此观测的能见度值受人的主观性影响很大。而器测能见度就相对来说
更为客观些。器测能见度主要有光透射法[2]，数字摄影法[3]，前向散射法[4]和后向散射测
量法[5]。光透射法需要有可以直接反射的合作目标，使用于跑道或短距离的测量场所，受
的时序接收大气分子及气溶胶粒子对光的后向散射信号，再对信号进行分析反演得到能见
度，这个过程实质上是光在大气中的传输问题，即后向散射式能见度仪的理论依据是激光雷
达原理，因而，可以用激光雷达方程来描述这个过程。
在距离激光发射点 z 处的后向散射的实时接收功率 P(z) 可以表达为（式 4）：
∫ P(z)
根据原理可以明显看出，后向散射式能见度仪具备以下主要特点： （1）无需合作目标； （2）有足够的采样空间，真实反应测量区域的大气状况； （3）可获得测量路径上不同区域的能见度； （4）可获得测量路径上大气均匀性； （5）可测量斜层能见度。 3 仪器基本设计思想及基本参数结构 3.1 基本设计思想
考虑到仪器的应用领域、人员安全，后向散射式能见度测量仪在设计时综合考虑以下关键 问题： （1）波长。人眼最敏感的光波长为 550nm，对于不同的波长需要进行波长修正。所以在选 取波长时尽量往这个波段靠，即使存在波长修正，由于波长接近带来的误差也相对要小。 （2）激光能量。在仪器使用时需要考虑对非工作人员的安全问题，激光由于它的能量密度 大，存在皮肤尤其是眼睛安全问题。因此能量选择时必须要尽量小。
量。其优势在于无需合作目标，取样空间大，并且可以测量斜层能见度。由此引申为可以直 接探测水平能见度的均匀性。较长时间的工作，其稳定性和环境适应能力较强。
虽然对比数据较好，但是还有一些工作需要深入和完善。如仪器误差范围需要进一步的 试验验证，在第能见度时的多次散射问题对该能见度仪的影响有多大也需要进一步的试验验 证等。
本也随之下降，因此，我们研制了后向散射式激光能见度仪。
2 后向散射式测量原理及主要特点
2.1 能见度的基本原理
观测者能够从背景物中分辨出目标物，与目标物的亮度和背景的亮度有关。定义在距离
观测者 R 处目标物的视亮度为 Bt，背景视亮度为 Bb，亮度对比定义为 K，有以下关系式：
K = Bb − Bt Bb
ln(P(z)z 2 ) = C1 − 2αz
（6）
C1 是取对数后作为一个常数存在的量。由上述的方程知道，接收的回波信号乘以距离的平 方取对数后与距离成线性关系，并且直线的斜率的一半就是这一段距离大气的消光系数。这
样，对采样信号拟合得到直线，得到消光系数α 后，再利用（3）式的关系可得能见度。
由以上的原理知道，在选取拟合点时，对均匀大气状况来说直接选取整个有效数据来拟 合能见度。即在采样空间内选择距离 z0 到距离 z 这一段的大气柱，一般情况为几百米到几 千米甚至取十几千米的距离。而在非均匀大气状况下，就不能取整个有效采集区间作一次性 拟合直线，根据大气的特点及后向散射式能见度测量仪的分辨率，可采取分段取点的方式， 即在测量路径上假设有多个不同的均匀大气柱段，分别拟合直线，获得不同大气柱段的消光 系数，求取整个测量路径上的平均消光系数，再代入（3）式获得平均能见度。 2.3 后向散射式能见度测量仪的主要特点
离 Z 的关系，斜线是取相对较直的一段拟合而成的直线，图中公式是拟合直线的方程，直
线斜率为 - 0.48，斜率的二分之一的绝对值就是水平消光，由式（3）可以得到能见度为 16.3
公里。
LN PZZ
14
fit(z)=13.4- 0.48*z
12
FIT LINE LNPZZ
10
8
6
0
2
4
6
8
RANGE(KM)
样的空间相对来说较小。而后向散射式的能见度测量方法最早是直接利用激光雷达来实现
的，无需合作目标，可以测量斜层能见度。但是由于激光雷达的成本高，同时能见度测量仅
仅是激光雷达的应用之一，所以利用激光雷达测量能见度的推广应用受到极大的限制，随着
激光技术和探测技术的发展，利用后向散射式原理测量能见度的技术也逐渐成熟，其制造成
参考文献： [1]地面气象观测规范第3部分：气象能见度观测.气象出版社出版，2007.09，1 [2] 施德恒,刘新建,黄国庆等.一种透射式跑道能见度激光测量仪研究[J].激光技术，2003，27（5）：419-422. [3] 吕伟涛，陶善昌，刘亦风。基于数字摄像技术测量气象能见度———双亮度差方法和试验研究［J］. 大气科学，2004，28 （4） [4] 陈安军. 利用前向散射实现的双光路能见度激光测量系统[J].红外与激光工程,2001,30(4):306-310. [5] 谢晨波，徐赤东，李琛等. 沿海地区大气能见度的激光雷达测量与分析[J].过程工程学报，2004，4增刊802-808