能见度天气现象监视技术研究

河北工业大学 硕士学位论文 能见度/天气现象监视技术研究 姓名：史倩义 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：张思祥 20071101

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能见度/天气现象监视技术研究 摘 要
能见度和天气现象是两个重要的气象观测要素，为天气预报、气象信息、气候分析、 科学研究和气象服务提供重要的依据。能见度测量技术天气现象观测技术目前还处于初级 阶段，海港、公路交通和大多数军用、民用机场所使用的能见度测量仪器基本上都是国外 产品，大部分气象台站能见度和天气现象的观测还依赖于准确性低、客观性差的人工观测 方法，难以满足气象观测的需要。随着自动化程度的不断提高，能见度和天气现象由目测 改为仪器观测已经是大势所趋。 围绕对能见度和天气现象两个气象要素同时测量的问题，本论文在深入研究国内外能 见度和天气现象监测理论和技术基础上，提出一种单发-双收的能见度/天气现象监测 （Visibility and Present Weather Sensor，VPWS）模型，并完成以下工作： 1． 详细研究了气溶胶消光理论，推导和建立了 VPWS 单发-双收系统中能见度测量的数 学模型。该模型由于引入天气现象识别通道的直流量作为参考，从计算公式中消除了 光学镜头污染项的影响。 2． 利用运动粒子通过光束时引起的光闪烁效应，建立和构成了 VPWS 单发-双收系统中 的天气现象识别通道，并推导出天气现象信号的理论提取方法。 3． 完成了 VPWS 单发-双收测量系统的全部设计和研制工作。包括系统总体设计、机械 结构设计、光学设计、电路硬件设计和软件设计，形成一台 VPWS 监测仪。 4． 光学设计和电路设计中分别采用滤光器和锁相接收技术抑制噪声， 提高了系统的信噪 比。 5． 对 VPWS 监测仪进行光路调试和电路调试，完成初步的能见度测量实验。 关键词：能见度，天气现象，大气消光系数，光闪烁，光电探测，MSP430
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能见度/天气现象监视技术研究
Study On The Visibility And Present Weather Sensor
ABSTRACT
Visibility and present weather are two important elements of meteorological observations which provide an important basis for weather forecasting, meteorological information, climate analysis, scientific research, and meteorological services. Visibility measurement and present weather observation technology is still in the initial stage, ports, road traffic and the majority of military, civilian use of the airport by the visibility of measuring instruments are basically foreign products, visibility and present weather also rely on the artificial observation methods which is Low observation accuracy and poor objectivity to meet the needs of meteorological observation in the most of meteorological stations. With the continuous improvement of the degree of automation, visibility and present weather observation by equipment is the trend of the times. Revolves the question which the visibility and the present weather two meteorological elements simultaneously measured, this paper thoroughly to study the domestic and foreign theory and technology about visibility and present weather monitor , based on them , proposed one kind model of single shot – double to receive Visibility and Present Weather Sensor (VPWS) , and completes works: 1. This article studys aerosol extinction theory, and has inferred and establishesthe single shot double to receive mathematical model of the visibility survey in the VPWS system. Because the direct current in the present weather channel was taken as the reference, this model can eliminate the optics lens pollution influence from the formula. 2. Based on the the effects of light scintillation when particles pass through a beam of light,this paper established and constituted the present weather channel in the system of the VPWS single shot- double to receive ,and inferred the method how to withdraw the weather phenomena signal. 3. Complete all the design and development work of the VPWS single shot - double to receive measurement. Including the system design, the mechanism design, the optical design, the electric circuit hardware design and the software design, constructe a VPWSmonitor meter. 4. To eliminate the noise ,the lightfilter is adopted in optical designs and the phase-lock receive technology is introduced in the circuit design separately.Both of them enhanced the system’s Signal-to-Noise. 5. Carried on the path of rays debugging and the electric circuit debugging pair of VPWS monitor meter, completed the preliminary visibility survey experiment.
KEY WORDS: visibility, present weather, extinction coefficient, light scintillation, photoelectric detecting, MSP430
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原创性声明
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第一章 绪 论
§1-1 能见度和天气现象监视技术研究的意义
能见度和天气现象是两个重要的气象观测要素，为天气预报、气象信息、气候分析、科学研究和 气象服务提供重要的依据。随着自动化程度的不断提高，能见度和天气现象由目测改为仪器观测已经 是大势所趋[1]。 能见度（Visibility）指的是正常人眼能见的极限距离。不仅用于气象观测部门，而且更广泛用于航 空、航海、高速公路、军事以及环境监测等领域。在交通运输领域里，尤其是航空运输中，能见度直 接反映了飞行员的视程大小，决定着飞机能否正常起飞或着陆，是保障飞行安全的重要气象要素之一； 在环境监测领域，能见度又是人们对大气污染情况的第一个直接反映，作为描述大气污染程度的一个 特征量，它的测量受到了广泛的重视；在军事领域，能见度的精确测报也是部队军事行动中不可缺少 的气象要素之一。总之，随着科学技术和国民经济的发展，各领域对能见度测量仪器的需求将愈加迫 切。然而在我国，能见度测量技术还处于初级阶段，海港、公路交通和大多数军用、民用机场所使用 的能见度测量仪器基本上都是国外产品，大部分气象台站能见度的观测还依赖于准确性低、客观性差 的人工观测方法，难以满足气象观测的需要 [2][3]。 在实际观测中，天气现象概括了大气状态及与之相伴的现象，是发生在大气中和近地面的一些物 理现象，是对大气中或地球表面上观测到的现象的定性描述，或者说是表征天气状况的大气现象的总 称。天气现象共分为 8 类 38 种，诸如雾、暴雨、大雪、雷暴、闪电、冰雹、飑和龙卷风等。在地面交 通领域特别是高速公路，大雾、大雨、积雪和结冰等气象条件是发生交通事故的主要原因之一。另外， 天气现象在民用航空和军事上也有重大用途，不同的天气现象对飞机的飞行活动有着不同的影响，有 些天气现象往往妨碍飞行活动，有些还会直接危及飞行安全，而在某些情况下它们又可以作为隐蔽突 击的有利条件。对天气现象的观测，如降水（从大气中降落的水凝物） ，悬浮或飞扬的粒子（水凝物和 大气尘粒） ，或其它特定的大气光学现象或电现象等，不需要定量测量，只需给出定性描述。目前国外 对天气现象观测仪的研究和研制还处于发展阶段，而国内尚未有此类产品出现[1]。
§1-2 能见度/天气现象的观测技术与发展
1-2-1 能见度测量技术及发展 1、 与能见度相关的定义 气象光学视程（Meteorological optical range） [4]指由白炽灯发出的色温为 2700K的平行光束的 光通量在大气中削弱至初始值的 5%所通过的路径长度。该光通量采用国际照明委员会（ICI） 的光度测量发光度函数来确定。 白天气象能见度（Meteorological visibility by day）定义为：在白昼，以地平线附近的天空为背 景，正常视力能看到和辨认出大小适度的黑色目标物的最大距离。 夜间气象能见度（Meteorological visibility at night）定义为：假想总体照明增加到正常白天的 水平，适当尺度的黑色目标物能被看到和辨认出的最大距离；或中等强度的发光体能被看到 和识别的最大距离。 跑道视程(Runway Visbility Range 简称 RVR)在跑道中线，飞机上的飞行员能看到跑道面上的 标志或跑道边界灯或中线灯的距离。 空中能见度（Flight Visibility）指飞行中飞机上的飞行员能从周围背景上分辨出的具体目标物
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的最大距离。空中能见度按飞行中的观测方向可分为空中水平能见度、空中垂直能见度和空 中斜程能见度。 斜程能见度（Slant Visbility Range 简称 SVR）由于从地面向上斜视和从空中向下斜视的背景 不同，只有用大气在斜程方向的透明程度才能客观地表示斜程能见度。 光通量（Luminous flux） （符号：F（或φ） ，单位：lm（流明） ）是由辐射通量导出的量，按 其对国际照明委员会（ICI）标准光度观测仪的作用确定的辐射量。 ）每 发光强度（Luminous intensity） （符号：I，单位：cd（坎德拉）或lm sr-1（流明每球面度） 单位立体角中的光通量。 ）每单位面积上的发光强度。 光亮度（Luminance） （符号：L，单位：cd m-2（坎德拉每平方米） 光照度（Illuminance） （符号：E，单位：lux（勒克斯）或lm m-2）每单位面积上的光通量。 消光系数（Extinction coefficient） （符号：σ）是色温为 2700K 的白炽光源发出的平行光束经 过大气中单位距离的路径损失的那部分光通量。该系数是对由于吸收和散射所造成的衰减的 测量。 亮度对比（Luminance contrast） （符号：C）是目标物的亮度与其背景亮度之差同背景亮度之 比值。 对比阈值（Contrast threshold） （符号：ε）是人眼能察觉的最小亮度对比，例如，允许目标物 从背景中消失的值，对比阈值随各人而异。 照度阈值（Illuminance threshold） t）在特定亮度背景下人眼察觉点源的光的最小照度。因 （E 而，Et的值随光照条件而变化。 透射因数（Transmission factor） （T）定义为对由色温为 2700K 的白炽光源发出的平行光束在 大气中经过给定长度的光学路径后的剩余的光通量的分数。 2、能见度测量技术及发展 能见度测量技术的发展是与航空航天领域的需求紧密相关的
[7]
。发达国家早在上世纪四十年代就
出现了基于透射表体制的能见度器测雏形设备，但距离客观、准确的要求还有很大距离。上世纪七十 年代后，随着探测光源和探测器技术的迅猛发展，能见度器测设备也得到了长足的进展，出现了以美、 德、日等发达国家为主要代表的近于实用装备，并且前向散射仪也开始大量出现。从上世纪九十年代 起，发达国家纷纷进行航空港自动气象观测系统的研制和推广，能见度器测设备已经进入到了实用的 阶段。近二十年来，除上述发达国家外，还相继出现了以芬兰Vaisala公司为代表的国际知名气象装备生 产商加盟能见度器测设备的研发[8][9]。 我国的能见度探测装备研制是从上世纪八十年代开始的，相继有不少的相关部门进行过各种类型 的能见度探测设备研制。但总体上讲，不仅起步比较晚，而且至今还没有一种完全自主知识产权的实 用设备问世，造成了民用机场主要依赖进口设备和军用机场还只能沿用人工观测来进行气象保障的局 面。目前，民用机场的能见度探测系统主要从芬兰进口，而军用机场为数不多的能见度探测设备主要 由加拿大转产。 目前，主要有大气透射仪、前向散射仪、激光雷达（后向散射）和数字对比摄像几种方法测量能 见度，其中测量水平能见度的大气透射仪和前向散射仪的技术最具成熟，美国、德国、芬兰和日本在 这一领域一直处于领先地位。 a）透射仪 透射仪是一种通过测量大气透明度来计算能见度的仪器。 芬兰 Vaisala 公司的 MI2TRAS 透射仪是 国际上机场气象自动观测系统中用得较多的一种能见度仪器。在光学系统制作和调校都接近理想的状 态下，有比较高的测量精度，大气透射仪的缺点是光学发、收系统的分体安装会导致经常性的校准和 维护相对困难。透射仪的原理示意图如图 1.1 所示。
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图 1.1 透射仪示意图 Fig. 1.1 Schematic diagram of transmitter visibility b）散射仪 透射仪测量的是衰减系数，而散射仪则直接测量来自一个小的采样容积的散射光强，光学发射器 与接收器分置于散射体两侧。通常认为大气均匀分布，且不含具有吸收效应的气溶胶粒子，因此光的 衰减主要由散射引起，散射光强正比于消光系数。这样，通过仔细选择对粒子形状和大小相对不敏感 的某一散射角度，由散射量反演出大气消光系数，然后计算出气象光学视程。散射仪根据角度不同可 以分为前向散射仪、后向散射仪和总散射仪。前向散射仪目前应用的最为广泛，前向散射仪以其体积 小、性能价格比高而得到广泛应用。目前普遍应用的前向散射仪主要分为单光路和双光路两种。散射 仪示意图如图 1.2 所示。
图 1.2 散射仪示意图 Fig. 1.2 Schematic diagram of scattering visibility c) 数字摄像技术 随着 CCD （电荷耦合器件， Charge Coupled Device） 技术的发展， 美国 Minnesota Duluth 大学的 Taek Mu Kwon 博士和我国中国科技大学的陶善昌教授等人从 1996 年开始研究采用数字摄像方法来模拟人 眼和探测能见度，虽然取得了一些研究进展，但离形成业务装备还存在很大差距，需要做大量研究工 作，目前这种技术仍处于探索阶段。 d) 激光雷达 激光雷达利用粒子的后向散射测量能见度，它机动、灵活、探测范围广，是唯一一种有希望能测量 斜程能见度的方法，多年来，很多学者都致力于此项研究。自八十年代开始，德国、俄罗斯和我国就 先后有样机问世，然而，由于后向散射和消光系数之间不是连续成正比关系，使得反演问题难以解决， 至今尚未能投入业务使用，目前，这几个国家的有关部门仍在积极从事这方面的研究。图 1.3 是德国气 象服务中心于 1993 年在 Quickborn 将激光雷达样机与一端置于铁塔上某一高度的大气透射仪进行斜程 能见度测量比对的现场布置示意图，该试验历时一年，取得了大量宝贵数据。
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图 1.3 德国激光雷达样机与大气透射仪进行斜程能见度测量比对示意图 Fig. 1.3 Contrast diagram of the Germanic lider with the transmitter visibility 我国中科院大气物理研究所的邱金桓等人以水泥跑道为背景对斜程人眼视觉对比感阈做修正，取 得了很大进展，用该算法的激光雷达与热气球上的人眼目测进行数据比对，结果显示有很好的相关性， 但在雾、雪等坏天气下的能见度反演仍存在较大误差。斜程能见度对飞机的安全起降具有很重要的应 用价值。 目前世界上能够代表现代能见度仪器水平的几种主要的仪器情况见表1.1 [7][10][11]。 表 1.1 世界上几种主要代表性能见度仪 Table 1.1 The representative visibility meter in the word 国 别 公司厂家 Belfort仪器 公司 Novalyns 公 司 仪器型号、 名称 测量原理 测量范围 测量精度 基线长（m） 或散射角/取 样空间
CAT.NO.6113
前向散射
15 ~ 4800m 10 ~ 3000m 10 ~ 10000m 60 ~ 6100m 30 ~ 30000m 10 ~ 3000m 50 ~ 3000m 50 ~ 40000m 75 ~ 10000m 10 ~ 50000m
≤ ±5%
20 ~ 50 0 / 0.014 m 3
10m 、 75 、 150m
8330透射表 8341雾探测器
消光 后向散射 前向散射
美 国
± 1% ≤ ±5% ≤ ±5%
20 ~ 50 0
27 ~ 420 / 3000cm3
EG&G公司
207前向散射仪 VR-301 能 见 度 仪 Skopograph Ⅱ Videograph AEG/DFVLR散 射仪 MITRAS 透 射 表 FD12P 前 向 散 射仪
HSS公司
前向散射 消光 后向散射 前向散射 消光 前向散射
德 国
Impulsph-y sik公司
15 ~ 75m
AEG公司
± 5% ± 1%
无冻雾： 20% ±
10 ~ 20 0 / 780cm 3
芬 兰
Vaisala 公 司
10 ~ 200m
330 / 200cm 3
雨中： 30% ±
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（续） Elecma 公 司 JRI公司 Mcisci 电 子 有限公司 PRESENTE Y工程公司 LYNX透射表 JRI透射表 消光 消光
75 ~ 2000m
± 0.5%
30,40,50m
可选
法 国
10 ~ 10000m 0.3 ~ 3.3%
20或50m
10 ~ 10000m
35o
日 本 加 拿 大
BGL透射表
消光
PEP-9012
前向散射
1-2-2 天气现象监测技术及发展 国外有很多种类型和型号的天气现象探测仪器，主要应用在气象、民航、交通、水文、农业和科 学研究等诸方面，应用非常广泛。但是利用光学方法测量的天气现象目前都局限在以下两个方面：一 是所有形式的液体和冷冻体的降水，如雨、毛毛雨、雪、雪球、雪粒、冰粒和冰雹等，二是空气中遮 挡视线的悬浮物，如朦胧雾、大雾、薄雾、灰尘，烟气等[1][13]。 目前国外天气现象仪的实现方式主要有以下三种 1. 前向散射能见度仪 + 感雨传感器 在前向散射能见度仪的基础上，增加一个感雨传感器，通过对两种信号进行综合处理和判断，识 别出当时的天气现象。其代表产品是：芬兰 VAISALA 公司生产的 FD12P 、PWD20 和 PWD10 天气现 象监测仪（Present Weather Sensor） ，图 1.4 是 FD12P 的照片，它能识别 11 种降水类型并测量降水强度， 报告 50 种代码（来自 WMO 现在天气 4680 电码表） 。
图 1.4 FD12P Fig. 1.4 FD12P
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2.
前向散射+后向散射
在前向散射能见度仪的基础上，增加一个后向散射传感器，利用后散射量与前散射量的比率识别 天气现象。其代表产品是：英国 BIRAL 公司生产的 VPF-730。图 1.7 是 VPF-730 的照片，它采用 45o 的散射角，可以输出降水类型、降水量、强度、能见度、视障类型、降水总量等天气现象信息。
图 1.5 VPF-730 型 Fig. 1.5 VPF-730 3. 直接透射式 利用运动粒子通过光束时引起探测器上的光闪烁效应识别天气现象。其代表产品是：德国 CLIMA 公司生产的 Laser Precipitation Monitor。图 1.6 是 Laser Precipitation Monitor 的照片，它可以报告现在天 气代码；测量降水粒子的大小、降落速度；探测降水类型和降水强度；报告 WMO 现在天气 4680 电码 表中的 25 种
图 1.6 激光测雨器 Fig. 1.6 Laser Precipitation Monitor
§1-3 论文的主要研究内容
本论文的目的就是研究能见度测量技术和天气现象识别技术，在理论研究的基础上再研制一台以 光学技术为基础的能见度/天气现象监视仪（Visibility and Present Weather Sensor——VPWS） 。 本论文主要研究内容如下：
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1. 2. 3. 4. 5.
详细研究了气溶胶消光理论，推导和建立了VPWS单发-双收系统中能见度测量的数学模型。该模 型由于引入天气现象识别通道的直流量作为参考，从计算公式中消除了光学镜头污染项的影响。 利用运动粒子通过光束时引起的光闪烁效应，建立和构成了VPWS单发-双收系统中的天气现象识 别通道，并推导出天气现象信号的理论提取方法。 完成了VPWS单发-双收测量系统的全部设计和研制工作。包括系统总体设计、机械结构设计、光 学设计、电路硬件设计和软件设计，形成一台VPWS监测仪。 光学设计和电路设计中分别采用滤光器和锁相接收技术抑制噪声，提高了系统的信噪比。 对VPWS监测仪进行光路调试和电路调试，完成初步的能见度测量实验。
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第二章 能见度/天气现象监测技术的原理及理论分析
§2-1 气溶胶的消光作用
地球大气由多种气体和悬浮于其中的固体粒子或液体粒子（或称为大气气溶胶）所组成，光在大 气介质中传输引起的消光，通常包含空气分子的消光以及气溶胶的消光。 气溶胶对光束的消光作用遵循 Bougrer-Lambert 定律：
I (λ ) = I 0 (λ ) exp[? δ e (λ , L )L]
（2-1）
这是辐射传输和遥感应用的一个基本定律，描述辐射在介质中传输时，因与介质相互作用而受到消弱。 其中 I 0 (λ ) 为辐射的初始强度， I (λ ) 为经过距离为L的介质后的辐射强度，消光系数 δ e 的量纲为[L-1]， 指数中的乘积 δ e (λ , L )L 为介质的光学厚度。 对于气溶胶而言， 消光系数 δ e 包括气溶胶的散射系数 δ sp 和 吸收系数 δ ap ，气溶胶通过散射和吸收作用消弱光束传输过程中的光通量[18]。 2-1-1 气溶胶对光的散射作用 气溶胶的散射作用取决于颗粒物的大小、形状、数浓度、谱分布、相对湿度以及复折射指数等。 通常以尺度数 α = 2πr / λ 作为判别标准，可将散射过程分为三类：瑞利散射、米散射和几何光学散射， 式中r为粒子半径，λ为波长。当α<0.1 时，为瑞利散射，当α>0.1，为米散射，当α>50 时，为几何光学 散射，同一粒子对不同波长而言其尺度数不同，故要用不同的散射理论处理。超细粒子在大气中的散 射对于可见光和近红外光而言遵循瑞利散射理论，但它在空气中寿命很短，很容易因布朗运动碰撞并 合并成较大的粒子，因此，大气中气溶胶的散射主要运用米散射理论解释。米散射的特点是散射粒子 的尺寸比入射光波长相近或比入射光波长更大，散射过程中没有光能量的交换，称为弹性散射。散射 过程中，粒子将入射光向四周的散射并不是均匀的，粒子越大，向前方散射的光越多，而向后方散射 的光越少[19]。 2-1-2 气溶胶对光的吸收作用 光在大气介质中传输时，气溶胶粒子和光相互作用，光能转变成其它形式的能，如热能、化学反 应能或不同波长的辐射能，这个过程称为吸收。 气溶胶的来源不同往往决定了气溶胶不同的化学组分，不同化学成分的气溶胶粒子具有不同的光 学性质。在远离人为污染的海洋区域，气溶胶主要是源于海盐，其对光的散射作用远远大于吸收;在陆 地，气溶胶的来源非常广泛，有着丰富的人为源和自然源，对于煤烟而言，消光作用以吸收为主，而 对于硫酸盐、硝酸盐等气溶胶，消光作用以散射为主。所以对大多数气溶胶而言, 吸收效应远远小于散 射效应, 因而吸收效应常可以忽略不计[19]。
§2-2
2-2-1 米散射理论
能见度测量原理
设单色平面偏振波沿 z 轴方向传播，其电矢量沿 x 轴方向振动，有
E = E 0 e ? i ( kz ?ωt )
（2-2）
式 2-2 中 E 0 为入射波振幅。 假定 E 0 =1， O 点放置一个半径为 r 的均匀球状粒子， 在 要计算其在 (θ , ? ) 方向的散射光，取包含入射光和散射光方向的平面为散射平面，并将入射光和散射光都分解为两组互
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相垂直的偏振分量 E 0 、 E 0 、 E s 、 E s 。其中 E 0 、 E s 在散射平面内， E 0 、 E s 与散射平面垂直。 当电磁波射到粒子上时，有一部分电磁波透入到球的内部，形成透射场，而在粒子的外部形成一 个散射场。入射场、散射场和透射场在粒子表面必须满足一定的边界条件。利用麦克斯韦方程，Mie 得到了关于散射电场的表达式
l
r
l
r
l
l
r
r
? l l ?E s = ? E 0 ? ? ?E r = ? E r 0 ? s ?
i ?i ( kR ?ωt ) e S1 (θ ) kR i ?i ( kR ?ωt ) e S2 (θ ) kR
（2-3）
这里 S1 (θ ) ， S2 (θ ) 为两个复振幅函数，计算公式如下
∞ ? ? 2n + 1 [anπ n (cosθ ) + bnτ n (cosθ )]? S1 (θ ) = ∑ ? ? ? n =1 ? n ( n + 1) ? ? ? ∞ ?S (θ ) = ? 2n + 1 [b π (cosθ ) + a τ (cosθ )]? ? ∑ ? n(n + 1) n n 2 n n ? n =1 ? ? ?
（2-4）
式 2-4 中 an 和 bn 为复函数，称为米散射参数，分别反映电场振荡和磁场振荡对散射的影响，由粒 子的复折射率 m、尺度数 α 和参数 ρ = mα 决定。复折射率是一个复数，常以 m = n r + in i 表示。其中 实部为折射率（或称为折射指数） ，虚部则表示吸收。函数 π n , τ n 是角函数，仅与角度 θ 有关。无穷级 数表示在入射电磁波作用下，散射粒子内电荷随入射波同步作强迫振荡产生的多阶散射电磁波的和。 l 和 r 两个分量的散射光强度分别与散射电场振幅的平方成正比，有
? 1 I1 I1 2 I s = 2 0 2 s 2 (θ ) = 2 0 2 i2 ? ? k R k R ? r r ? I r = I 0 s (θ ) 2 = I 0 i 1 ? s k 2R2 1 k 2R2 ?
其中 i1 = s1 (θ ) ， i 2 = s 2 (θ )
2 2
（2-5）
当入射光为自然光时，有
1 ? 1 r ?I 0 = I 0 = 2 I 0 ? ? ? I = I 0 (i + i ) ? s 2k 2 R 2 2 1 ?
根据
（2-6）
I s ( R, θ , ? ) =
I0 σ (θ , ? ) ，相应的散射函数为 R2 1 σ (θ ) = 2 (i2 + i1 ) 2k
（2-7）
盛裴轩和张霭琛等人在[15]中通过讨论得出米散射的四个主要特点： 1、 随着粒子尺度数 α 的增大，前向散射光在总散射光中的比值迅速增大，这就是所谓的米效应 2、 前向散射光基本上不改变入射光的偏振状态，当入射光是自然光时，前向散射光也是非偏振的。散 射光偏振度最大的方向出现在散射角 85o—120o之间 3、 在吸收不强时，散射效率Qsc随 α 的增大呈振动状态变化，最后趋向于 2，即散射截面是几何截面的 二倍。但当吸收增强时，Qsc曲线上的振动消失了 4、 散射截面随波长而变。当 α 很小时，和瑞利散射一样，与波长的四次方成反比；当 α 增大时，逐 渐变为 λ? n （09

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2-2-2 前向散射技术测量能见度的理论分析 大气中不同性质的微粒对光波的衰减是造成能见度降低的原因。光在大气中的衰减是由大气中尘 但对大多数气溶胶而言, 吸收效应远远小于 埃、 烟雾和气体微粒的散射和吸收效应两者共同引起的[20]。 散射效应, 因而吸收效应常可以忽略不计, 因此大气的消光系数就被认为等于散射系数, 1957 年世界 气象组织(WMO )建议采用一种衡量大气光学状态的光学量度, 只要精确测定大气消光系数, 即可得出 气象光学视距(MOR)。 《WMO 气象仪器和观测方法指南》中指出采取一些假设, 可使仪器的测量值转 化为MOR 值。用于测量MOR 的仪器可分为以下两类：(1) 用于测量水平空气柱的消光系数或透射因 子；(2) 用于测量小体积空气对光的散射系数。这里选用后者进行测量。具体方法为：用一束红外光束 照射一定体积的大气微粒，依据粒子对红外光的散射函数，测定该体积内粒子的散射光强度，估算其 等效散射截面，反演粒子的浓度等，据此计算消光系数，进而估计能见度。理论研究和对大量观测数 据的计算和分析表明，在一定条件下可以保证前向散射仪测量能见度的可靠性[21]。 能见度一般指人的视觉受到大气条件限制所能达到的距离。人们观测目标物体时之所以能从某一 背景上识别出目标物，是由于它与背景之间有反差，我们常用 C=(背景亮度一目标亮度)/背景亮度 (2-8) 来表征这个反差，C值我们称为反差比。在目标地观测到的反差比，称为本征反差比C0，而在离目标某 个距离处观测到的反差比，称为视在反差比Cx。视在反差比( Cx)与本征反差比(C0)、观测者距目标的距 离(X)和大气消光系数σ之间的关系，根据Koschmieder定律，可用下式表示: (2-9) 若目标物是黑体，(黑体的亮度为零)，由式 2-8 可以看出它的本征反差是 1，此时式 2-9 可以表示 成： (2-10) 由上式可以看出，离目标的距离越远，则反差比越小，目标越不清楚，当反差比等于某个阈值时， 目标物便无法识别，这时的反差比称为阈值反差比，这时的距离 X 称为能见度。 国际民航组织(ICAO)和世界气象组织(WMO)， 根据大量的实验结果， 推荐阈值 ε=0.05， 因此式 2-10 可以写成：
C x = C0e ?σx
C x = e ?σx
0.05 = e ?σx
由上式可以求出:
(2-11) (2-12) (2-13)
x = ? ln 0.05 / σ
消光系数主要由两部分组成： σ=σ吸收+σ散射 实际上，由于光学结构的原因，在本设计测量的范围内，σ吸收<<σ散射 。 因此， 式 2-12 可表示为： x=2.996/σ
(2-14)
所以只要测出大气的散射系数，就可以确定σ散射，从而测出气象视程MOR，这是散射式能见度仪的工作 原理[22]。 2-2-3 红外前向散射技术测量能见度的理论分析 正常人视力识别目标的对比度阈值，Koschmieder 取为 0.02(实际上并非常数，变化范围为 0.07～ 0.04，决定于目标物的视角)，将此时对应的最大距离记为能见度，由此可得均匀不相干大气的能见度 方程为：
X = 3.912 / σ
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(2-15)

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式 2.15 是针对人眼感应的可见光范围。作为近似，可用人眼最敏感的绿光(λ＝0.55μm)的消光系 数代替，当用其它波长时应作相应的订正
X=
3.912 ? λ ? ? ? σ ? 0.55 ?
q
(2-16)
q 为波长修正因子，视能见度不同而取不同数值：
?0.585 ? q = ?1.3 ?1.6 ?
X < 6km 中等能见度 能见度好
(2-17)
§2-3 光闪烁方法识别天气现象原理
当光束在空气中传输时，不仅因吸收和散射而损耗掉能量，而且还因介质的不规则性，使得光束波 前发生畸变。在任一瞬时，当有雨滴或沙尘等较大尺寸粒子下落时，各个粒子在接收平面上形成各自 的衍射图样。随着粒子的下落运动，接收平面上的衍射图样也移动，这就使探测器上的光强发生忽大 忽小的起伏变化，这种现象称为“光强闪烁” 。不同强度的下落过程会产生不同的闪烁信号，对探测到 的闪烁信号进行处理，即可获得粒子的降落强度，进而可以识别出不同的天气现象[27][28][29]。 2-3-1 运动粒子的光散射模型 从本质上讲，光的散射是由于介质点分布不均匀而引起的，在运动粒子降落过程中，粒子之间有一 定的距离，它界面明显，折射指数近乎突变。每个粒子都可看作为一个散射球粒。为处理简便，假设 粒子的散射模型是： （1) 独立散射 由于粒子间的距离足够大，所以在考虑单个粒子的散射时可不计其它粒子的影响。 （2) 同频散射 认为散射光与入射光同频而不考虑拉曼效应或其他量子跃迁。 （3) 单次散射 只考虑粒子对光的一次散射而忽略其二次以上的散射效应。 这就意味着散射强度与粒子数之间存在 着线性关系。 2-3-2 单个粒子的闪烁效应 ，由 Ting-i Wang 假设，可把粒子看作是一种不透明球 因为通常粒子半径 α >> λ （ λ 是光源波长） 粒，根据 Huggens-Fresnel 原理，当一束沿 X 方向传播的波长为 λ 的单色平面波，遇到一半径为 a 的不 透明球粒时，将发生衍射。其衍射图样与一同半径圆盘衍射图样完全相同，而与一半径为 a 的圆孔衍 射光场互补（Babinet 互补原理） 。近场为 Fresnel 衍射，远场为 Fraunhofer 衍射。若接收平面位于远场 （见图 2-1） ，设接收透镜焦平面上任一点 P 的光强 I p 为：
? 2 J (ηθ ) ? I p = I0 ? I0 ? 1 ? ? ηθ ?
式 2-18 中：
2
（2-18）
I 0 —光束通过半径为 a 的圆孔时，光轴上 O 点的光强度。
η —光束通过半径为 a 的圆孔时产生的位相差，η = Ka = 2π a / λ ，K 指波数；
θ —衍射角， = ρ / f = ξ 2 + η 2 / f ， 其中 f 指接收透镜焦距， ρ指焦平面上相应的衍射环半径； θ
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； ξ ，η 是坐标（见图 2-1）
J1 —第一阶贝塞尔函数。
z 入射平面波 v θ p u P(u,v) o
v y x f
图 2.1 Huggens-Fresnel 原理图 Fig. 2.1 Schematic diagram of Hugens-Fresnel 式 2-17 中假设了，接收平面上由粒子衍射所生成的光强分布是没有粒子时的光强与一同样大小圆 孔衍射光强之差。 若在透射透镜L2前加一Y向的条形光阑（见图 2.2） ，则由于光阑的加入限制了系统Z方向的有效接 收口径，而使接收平面出现渐晕效应。位于焦点上的探测器所收到的光强随粒子距Y轴的距离Z而变化。 由图 2-2 中可看出，只有粒子中心坐标 z < Δz 时，在焦点O处才能收到它的散射光强，光强的大小与 粒子相对光阑的重叠面积成比例关系。不妨设光阑的光强透过率函数：
? y2 + z t ( z ) = ∫ dy exp? ? ? ?l / 2 a2 ?
l/2
2
2 ? ? ? ≈ π a exp? ? z ? a2 ? ? ?
? ? ? ?
(2-19)
则 2-18 式可写作：
I p = I0 ? I0
在 O 点，有θ=0，
2J1 (ηθ )
? z2 π a exp? ? 2 ? a ?
? ? 2 J 1 (ηθ ) ? ?? ? ηθ ? ? ??
2
(2-20)
ηθ
=1，故有：
? 2 J (ηθ ) ? I (0) = I 0 ? I 0 ? 1 ? ? ηθ ?
令探测器上的光强闪烁率：
2
(2-21)
G=
则
I (0 ) ? I 0 I0
（2-22）
? z2 G = ? π a exp? ? 2 ? a ?
? ? ? ?
(2-23)
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z
l v a(y,z) Δz u x o
入射平面波 y
图 2.2 光闪烁原理示意图 Fig. 2.2 Schematic diagram of Optical Scintillation 2-3-3 多个粒子闪烁率的自相关函数 若每一时刻只有一个粒子落下，则单个粒子闪烁率的自相关函数可写作：
Ci (τ ) = ∫ dzG ( z )G ( z ? vτ )
+∞ ?∞
(2-24)
式中： v —粒子的落速。 由前面粒子独立散射的假设，可认为各个粒子的闪烁互不相关，每个粒子是一个闪烁子项，许多 粒子闪烁率的自相关函数是单个粒子自相关函数的集合平均。因此有：
C (τ ) = ∑ Ci (τ )
i =1
N
l = 4.8 × 10 6
∫
L
0
dx ∫ dz ∫
?∞
+∞
∞
0
h( x ) p ( a, x ) z2 ( z ? vτ ) 2 2 da exp(? 2 ) exp[? ] av a a2
（2-25）
式中： h(x) ——x 处的粒子降落强度
p (a, x) ——x 处粒子半径为 a 的概率密度函数
L——取样空间总长度 进一步化简式 2-25，有：
C (τ ) = 1.47 × 10 ?7 πl ∫ dxh( x) ∫ dav ?1 p(a, x) exp[?
L 0 0
+∞
vt [ 2] ] 2a 2
(2-26)
2-3-4 功率谱密度 功率谱密度与自相关函数互为傅立叶变换，故光强闪烁的功率谱密度为：
ω ( f ) = ∫ exp(?2πif )C (τ )
?∞
+∞
(2-27)
将式 2-26 代入式 2-27，得
ω ( f ) = 2.08π × ?7 l ∫ dxh( x) ∫ 0 0
L
+∞
da p (a, x)av ? 2 exp(?
4π 2 f 2 v 2 ] 2v 2
（2-28）
设整个取样空间上的粒子降落强度均匀，即 h( x) = h ，则：
p(a, x) = p (a) = Γ ?1 (9 / 2)(2∧) 2 a 2 exp(?2 ∧ a)
式中： Γ —gamma 函数；
9
7
（2-29）
∧ —是粒子降落强度 h 的函数， ∧ = 4100h ?0.21
（2-30）
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在导出式 2-29 时，用了 v = 200 a 的假设（ v 是粒子降落末速度） ，并认为粒子尺寸分布服从 Marshall—Palmer 模式，即
N (a ) = N (0) exp(?2 ∧ a)
式 2-31 中 N (0) —— a=0 时的数密度。 对式 2-28 进一步简化，得
（2-31）
ω ( f ) = 0.52π × 10
?11
10 ?4 π 2 f 2 ? ) hLl (1 + 4∧
9 2
（2-32）
不同天气现象产生不同的功率谱密度，Ting-wang等人研究发现，当有降雨发生时，降雨粒子在光 接收面上的闪烁率频率不超过 2kHz，在降雪或大雾的时候，频率更低，因此，通过监测和分析光强闪 烁功率谱或测量不同频带内的功率，就可识别天气现象[30][31]。
§2-4 VPWS 单发-双收测量模型
在前向散射理论和大尺寸粒子光闪烁理论的基础上， 本论文提出一种 VPWS 单发-双收的测量模型： 发射器发射近红外调制光，其直接透射光被置于前方的一个接收器所接收，构成天气现象识别系统； 同时，前向散射光被置于发射器前方 40o左右的另一个接收器所接收，构成能见度测量系统。其光路如 图 2.3 所示。A 为发射器，B 为散射接收器，C 为透射接收器，L2 为散射接收器镜头，L3 为透射接收器 镜头。
图 2.3 VPWS 测量模型原理光路图 Fig. 2.3 Optical diagram of the mode of VPWS’ measurement principle 光信号进入透射通道后转换为直流量和起伏量，其中直流量可以改进散射通道的计算模型，消除 窗口污染和光源波动对能见度测量的影响。 2-4-1 VPWS 单发-双收测量模型的散射光路分析 图 2.4 给出了VPWS测量模型散射通道原理光路图[32][33][34]。
图 2.4 VPWS 测量模型散射原理光路 Fig. 2.4 Optical diagram of the model of VPWS’ scattering measurement principle 在图 2.4 中，设 φ0 为通过发射镜头的光通量，φ1 为到达 O 点处的光通量,根据 Koschieder 定律，O
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点处光通量为：
φ1 = φ0 e ?σa
设光在 O 点处截面面积为 S1，那么雾微滴在点 O 处的光照度为 发光强度 i 是通过每个微滴接收光通量所产生的散射 40°角时散射作用的值 f (θ )
（2-33）
E = φ1 / S1
（2-34）
i = Eπr 2 f (θ )
式 2-35 中：r 为微滴的半径。 当 θ =40o时，令 f (θ ) =D，则
（2-35）
i = DEπr 2 f (θ )
令 U 是散射的体积，以及每个单位体积水滴的数量为 N，总的散射光的强度为
（2-36）
I = NUD ( φ 0 / S 1 ) e ? σ a π r 2
设 φ 2 为通过镜头 B 的 L2 所接收到的散射光通量
（2-37）
φ 2 = Iωe ?σa
ω是通过 O 点与镜头 L2 间立体角 ω = S 2 / a ，因此
2
（2-38）
φ 2 = NUD(φ 0 / S1 )e ?2σa πr 2ωS 2 / a 2
根据消光系数σ等于单位体积中所有粒子的几何截面的总数的 2 倍
（2-39）
σ = 2 Nπr 2
结合式 2-39 得
（2-40）
φ2 = 1.5 D( S 2 / S1 )(U / X )(φ0 / a 2 )e ?6 a / X πr 2
= k1φ0 e ?6 a / X / a 2 k1 为与散射角和粒子相关的常量，当结构固定时，其仅与粒子相关。
2-4-2 VPWS 单发-双收测量模型的透射光路分析 图 2.5 给出了 VPWS 测量模型透射通道原理光路图。
（2-41）
图 2.5 VPWS 测量模型透射原理光路 Fig. 2.5 Optical diagram of the mode of VPWS’ transmitting measurement principle VPWS单发双收测量模型主要利用大尺寸粒子的光闪烁效应监测天气现象， 但是当天空中晴朗没有 降雨或没有沙尘天气的时候， 这时候不存在光闪烁， 此时可以利用VPWS的透射通道测量大气消光系数， 作为散射量测量的参考量[35][36][37]。其原理如下： 设 φ3 为到达镜头 L3 处的光通量，根据 Koschieder 定律
φ3 = φ0 e ?2σa φ3 = k 2φ0 e ?2σa = k 2φ0 e ?6 a / X
（2-42）
将镜头 L3 前加一个条形光阑，相当于给到达透射器光电接收器件增加一个固定的衰减量 k 2 ，则得 （2-43）
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2-4-3 VPWS 单发-双收测量模型消除污染对散射通道的影响 比较式 2-41 和式 2-43 得
φ3 / φ2 = k ' a 2 e ?6 a / X / X
（2-44）
可以看出式 2-44 中不包含与出射光光强相关的任何变量，仅包含与气象光学视程 X 相关的量，其他量 当结构固定时均为常量，或者是与粒子相关的量，这样就可以避免由于光强不稳造成的测量误差。当 有污染时，必然会对 VPWS 模型的三个镜头都造成污染。假设散射通道和透射通道有同等程度污染，则 通过式 2-44 所作的运算，能消除污染对能见度测量的影响。 但是，当空气中存在大尺寸粒子时， VPWS 模型分析原理不适用于透射通道，这时候能见度的测量 要剔除参考通道量，仅利用能见度测量通道测量能见度。
§2-5 本章小结
本章主要是能见度/天气现象监测技术的原理及理论分析，描述了大气消光作用，在此基础上推导 了能见度测量所利用的米散射理论和前向散射仪测量能见度理论。在本章的后半部分重点推导了能见 度测量原理和利用运动粒子的光闪烁效应，在最后一节详细推导了能见度/天气现象监测仪所采用的 VPWS 测量模型。
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