编辑1主要分类
世界上普遍应用的能见度观测仪主要有透射式和散射式两种. 透射仪因需要基线, 占地范围大, 不适用于海岸台站、灯塔自动气象站及船舶上. 但其具有自检能力, 低能见度下性能好等优点而适用于民航系统; 散射仪以其体积小和低廉的价格而广泛应用于码头、航空、高速公路等系统。
2工作原理
2. 1 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V aisala 公司的M I2TRA S 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. 下面就其原理做简单介绍:
式(1) 给出光在大气中的衰减
I = I 0exp (- Rb) (1)
其中: I 0 为发射光光强, I 为接受光光强, R 为消光系数, b 为发射器与接受器之间的距离.
透射仪即是基于此公式的仪器, 光源向距离为b 的接收器发射光束, 接收器测量经过大气透射的光强. 由式(1) 可以看出, 透射仪测量公式为非线性.
R = - (1.b) ln ( I.I 0) (2)
测出两点间的透射率I.I 0, 即可算出消光系数R, 并根据Ko schm ic 原理, 能见度L = - ln0105.R.
2. 2 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.通过散射光强来有效地计算消光系数是建立在以下3 个假设的基础上的: ①假定大气是均质的, 即大气是均匀分布的; ②假定大气消光系数R 等于大气中雾、霾、雪和雨的散射,图1 FD12P 结构图，即假定分子的吸收、散射或分子内部交互光学效应为零; ③假定散射仪测量的散射光强正比于散射系数. 在一般情况下, 选择适当的角度, 散射信号近似正比于散射系数。
根据散射角度的不同, 散射仪又可分为3 种: 前向散射仪、后向散射仪和总散射仪.
下面重点讨论前向散射仪。前向散射仪以其体积小、性能价格比高而得到广泛应用, 普遍应用的前向散射仪可分为单光路和双光路两种.
(1) 单光路前向散射仪
芬兰V aisala 公司推出的FD12P 是一种单光路前向散射仪, 广泛应用于航空、航海、高速公路、气象等部门的能见度测量
图1 FD12P 结构图
领域.
图1 FD12P 结构图
图1给出FD12P 结构, FD12P 以支架为结构基础, 支撑变换器横梁, 横梁包括光学单元——发射器FDT 12B 和接收器FDR12, 包括数据处理和接口单元的控制箱固定在支架上。
FD12P 能见度仪的主要技术指标如下:
电子特性 主电源: 115.230VAC±20% , 45～ 65Hz; 最大功耗: 35W + 100W 除霜加热器(寒冷天气) ; 输出: RS232、MODEM ; 输出数据: 自动发送或查询方式; 时间间隔: 15 s～N ×15 s (倍数N < 18)。
光学特性 发射器:
光源: 近红外发射二极管; 最大波长: 875 nm; 调制频率: 2. 3 kHz; 发射器透镜直径: 71 mm; 参考光敏管: 控制光源; 后向散射光敏管: 污染和障碍测量. 图1 FD12P 结构图
接收器:
光敏管: P IN 6D I; 接收器透镜直径: 71mm; 后向散射光源: 近红外发光二极管(L ED) 测量污染和障碍.
能见度测量特性 测量范围: 10～ 50000 m 参照5% 的对比临界值定义; 准确度:
±10% (10～ 10000 m ) ; ± 20% ( 10000～ 50000 m ) ; 时间常数:60 s; 更新间隔: 15 s.
环境特性 工作温度: - 40～ + 55℃; 湿度: 0～ 100%RH; 抗阵风: 60 m /s.
图2 给出FD12P 的光学结构, 它以33°倾角测量散射光, 在各种类型的自然雾中, 此角度产生图2 FD12P 光路图稳定的响应. FD12P 采用高能量GaA s 红外L ED 作为光源, 通过一闭环电路稳定和监测光源, 接收器采用灵敏的P IN 来检测散射光, 接收器采用了锁定技术来减少杂散光对接收信号的影响, 同时周期性地测量漂移, 使接收器的输出仅与散射光强成正比.
(2) 双光路前向散射仪
美国Q ualim it rics 公司生产了一种采用双光路测量系统测量能见度的仪器V S8364, 它的最显著特点是采用独特的双光路对称设计对采样中的大气消光系数进行测量, 这样可以避免传统的传感器由于使用环境的影响而降低性能的问题. V S 8364 也是以支架为结构基础, 其系统包括: 支架、两红外发射组件、两硅光电探测组件及控制器4 个部分(图略).
V S 8364 能见度仪的主要技术指标如下:
电子特性 主电源: 83642A , 83642C 115 VAC, 60 Hz; 83642B, 83642D 240 VAC,
50～ 60 Hz; 最大功耗: 200W; 输出: RS232、FSK; 输出数据: 自动发送或查询方式; 输出格式:A SC II 字符, 8 位数据, 1 位停止位, 无校验位.
光学特性 光源: 红外发射二极管; 波长: 850 nm; 调制频率: 1024 Hz; 检测器: 硅光电二极管.
能见度测量特性 测量范围: 10～ 32000 m; 准确度: 15% RM SE; 平均间隔: 3、5 或10 m in.
环境特性 工作温度: - 55～ + 55℃; 湿度: 5%～ 100% RH; 抗阵风: 85 m/s。
国内的机场、码头、气象等部门都已引进FD12P, 运行情况比较稳定, 中远距离的能见度观测精度较高. 这种前向散射测量体制, 发挥了散射型传感器体积小的优点, 又克服了光学污染和光源老化的难题, 是一种较有前途的能见度仪。
