基于光散射技术的两种能见度探测方法的比较分析

2024年2月21日发(作者：魏桥实验学校)

第３５卷第２期Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．２红外与激光工程ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ２００６年４月Ａｐｒ．２００６基于光散射技术的两种能见度探测方法的比较分析韩永１，２＊，谢晨波１，饶瑞中１，周军１，王英俭１（中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室，安徽合肥２３００３１；２．中国科学院研究生院，北京１０００３９）摘要：为了提高大气能见度的仪器探测水平，并验证自行研制的车载式拉曼激光雷达探测大气水平能见度的可靠性，使用１种基于可见光波段的前向散射能见度仪，与基于后向散射原理的拉曼激光雷达进行了联合试验，对两者测量结果，进行了分析和讨论，结果表明这两种探测手段具有较高的相关性。同时，通过对前向散射原理的探讨，为能见度仪的国产化提供了参考，也检验了国内首台车载式拉曼激光雷达在测量能见度方面的可靠性，扩展了它的应用领域。关键词：光散射；激光雷达；能见度仪；前向散射；后向散射中图分类号：Ｏ６４８；Ｐ４２３文献标识码：Ａ文章编号：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引言能见度是气象观测的常规项目，它反映了大气浑浊的程度，是表征近地表大气污染程度的一个重要参收稿日期：２００５－０５－１９；修订日期：２００５－０８－１０量，对航空、航海、陆上交通以及军事活动都有重要影响。在气象学中，能见度是识别气团特性的关键参数之一，它代表当时的大气光学状态，预示着天气的变３］化，在天气预报和环境监测上具有实际意义［１～。＊基金项目：国家８６３计划项目资助课题作者简介：韩永（１９７５－），男，安徽怀远县人，博士生，从事大气光学、辐射传输、气溶胶物理光学特性、卫星遥感和信息获取方面的研究。

１７４红外与激光工程第３５卷１８世纪后半期，法国研究者Ｂｏｕｇｅｒ提出了大气透明度的概念，１９世纪，ＬｏｒｄＲａｙｌｅｉｇｈ解决了关于空气和其他小球形粒子散射问题，Ｗ．Ｅ．Ｍｉｄｄｌｅｔｏｎ的专著中包含了关于能见度的理论及相关的研究；１９２４年，Ｋｏｓｃｈｍｉｅｄｅｒ提出了在各种大气情况下关于目标物的可视范围的基础理论；１９６５年，美国空军剑桥研究实验室出版了一本关于地球环境的理论、大气光学和电磁波通过大气的透过率方面的书，这些论述奠定了能见度的理论基础；１７００～１９９８年的研究为高级能见度传感器的发展奠定了基础，并且使可视技术得到了加强。此外还有摄像法和激光雷达测法，透射表测６］量方法简单，用于很多重要机场的跑道上［４～。ε＝ｅ－ｒσｒ＝－ｌｎεσ（１）（２）式中：ｒ为目标物和观测者之间的距离；ε是对比度阈值；σ为大气水平消光系数。世界气象组织规定，对于气象能见度，视角阈值取ε＝０．０２，它相当于目标物消失时的距离。能见度和消光系数的关系可表示为：Ｖ０．０２＝－ｌｎ（０．０２）＝３．９１２（气象能见度）σσＶ０．０５＝－ｌｎ（０．０５）＝２．９９６（ＭＯＲ）σσ（３）（４）２两种能见度探测方法２．１前向散射能见度仪图１和图２示出了前向散射能见度仪的结构和光电原理。前向散射能见度仪由发射器、接收器、电源目前我国大部分气象台站仍采用人工目测方法来确定能见度。目测能见度主观因素较多，误差往往较大，特别是夜间能见度的目测结果误差更大，不能满足许多实际应用的需要。有些气象台站用的是中心波长为红外波段的前向散射能见度仪，需要从红外向可见光波段换算，这就增加了一个误差源。鉴于此，选择直接利用可见光的仪器作为探测光源，进一步减少了测量误差，有利于提高测量精度。测量结果与安徽光机所自行研制成功的国内首台车载式拉曼激光雷达（ＲＭＬ）测量的结果进行对比。一方面探讨了两者的相关性，另一方面检验了ＲＭＬ测量能见度的可靠性。图１前向散射能见度仪光路图Ｆｉｇ．１Ｗａｙｏｆｏｐｔｉｃｓｉｎｆｏｒｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙｓｅｎｓｏｒ１大气消光和能见度光的散射包括大气分子、小粒子、大粒子和液滴８］等同时进行的散射［７～。当以测量低能见度为主时，多考虑烟、霾、雾等大粒子散射。通常光衰减用σ表示（用５３０或５５０ｎｍ作为可见光区的基准波长）。气象上对能见度的定义是：标准视力的眼睛观察水平方向以天空为背景的黑体目标物（视角在０．５°￣）时，能从背景上分辨出目标物轮廓的最大水平距５°离称为气象能见距。此外，世界气象组织将“气象光学视程”色温为２７００Ｋ的白炽灯的平（ＭＯＲ）定义为“行光束，光通量变为其初始值的５％时所通过的大气路径长度”。根据以上定义，仪器探测能见度的核心问题是如何准确获取大气的消光系数。由Ｋｏｓｃｈｍｉｅｄｅｒ定律可知，对以水平天空为背景的黑体目标物，目标物和背景视亮度对比可以表示为：图２前向散射能见度仪光电原理Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｏｒｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｃｏｌｌｅｃｔｉｖｉｔｙｉｎｆｏｒｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙｓｅｎｓｏｒ／控制器和机架等部分组成，采用可见光源的前向散射体制、交叉光路结构，发射器和接收器之间的距离为１２００ｍｍ，主散射角为３３°，仪器工作时，发射器通过可见发光管发出一中心波长为５５０ｎｍ的可见光入射到大气中，接收器将约０．０２ｍ３的大气前向散射光汇集到光电传感器的接收面上，并将其放大处理，转

第２期韩永等：基于光散射技术的两种能见度探测方法的比较分析１７５换为与大气能见度成反比关系的电信号。此信号经处理后送至控制器的数据采集板，经ＣＰＵ取样和计算得到大气能见度的值，并通过ＲＳ－２３２长线驱动器送至计算机进行显示和输出。表１ＲＭＬ激光雷达能见度测量部分的主要性能指标Ｔａｂ．１ＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＲＭＬｌｉｄａｒｓｙｓｔｅｍＬａｓｅｒｅｍｉｔｔｅｒＤｅｔｅｃｔｏｒａｎｄｒｅｃｅｉｖｅｒＤａｔａｃｏｌｌｅｃｔｅｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｃｅｌｌ２．２基于后向散射的ＲＭＬ激光雷达２．２．１ＲＭＬ激光雷达获取能见度的原理通常大气在水平方向上是比较均匀的，因此水平方向上测量的激光雷达方程可写为：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）是激光雷达接收的大气后向散射回波功率，Ｗ；Ｃ是激光雷达系统常数，Ｗｋｍｓｒ；β是大气水３Ｐｕｌｓｅｅｎｅｒｇｙ１５０ｍＪＳｔａｂｉｌｉｔｙ±３．５％Ｒｅｐｅａｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ２０ＨｚＡｎｇｌｅｏｆｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ＜０．４５ｍｒａｄ平体后向散射系数，ｋｍ－１ｓｒ－１；σ是大气水平消光系数，ｋｍ－１。对公式（５）两边取对数并对距离Ｒ求导得：２ｄ（ｌｎ（Ｐ（Ｒ）Ｒ））＝１ｄβ－２σｄＲβｄＲ（６）Ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ６￣８ｎｓ由于已假定大气水平均匀，故ｄβ／βｄＲ＝０。因此，对ｌｎ（Ｐ（Ｒ）Ｒ２）和Ｒ进行最小二乘法线性拟合，拟合直线斜率的一半则是５３２ｎｍ波长的大气水平消光系数３测量结果分析及对比检验基于可见光波段的能见度仪，根据气溶胶粒子的以合肥为例，对比前向散射特性，测量气象光学视距。试验在１７：００开始，持续时间约为１ｈ。图３（ａ）、（ｂ）σ，它包含来自大气中气溶胶粒子和空气分子的共同贡献，此即所谓的斜率法。此外，由于ＲＭＬ激光雷达测量的实际回波信号中包含天空背景辐射和各种电子仪器的本底热噪声，因此在大气水平能见度数据处理前必须进行背景信号的扣除。２．２．２结构和技术参数ＲＭＬ激光雷达主要由三部分组成：激光发射单元、信号接收与探测单元以及数据采集和控制单元。激光发射单元主要包括激光器和发射镜片组。在工控机运行控制程序的指令下，Ｎｄ：ＹＡＧ激光器以２０Ｈｚ的重复频率发射波长５３２ｎｍ的激光，经过发射镜片组最终由望远镜转轴上的反射镜发射到大气中。透射后的５３２ｎｍ回波信号进入气溶胶探测通道。在测量大气水平能见度时，首先将ＲＭＬ激光雷达调整为水平状态，设置好适当的接收视场和门控时间以及光电倍增管的增益大小，然后向大气发射２０００发激光脉冲并采集其回波信号，最终利用能见度计算软件得出大气水平能见度数值。整个测量过程约持续２￣３ｍｉｎ。表１给出了ＲＭＬ激光雷达能见度测量部分的主要性能指标。图３测量结果相对误差及能见度随采样数的变化Ｆｉｇ．３Ｍｅａｓｕｒｉｎｇｒｅｓｕｌｔａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｃｈａｎｇｅｏｆｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙｗｉｔｈｓａｍｐｌｅｎｕｍｂｅｒ分别为２００４年９月２１、２４日和１０月１０日ＲＭＬ激光

１７６红外与激光工程第３５卷雷达与前向散射能见度仪测量结果比较及相对误差与能见度随采样数的变化。可以看出，大气水平能见度从９月２１日的１３．８ｋｍ减小到２４日的４．９ｋｍ，然后在１０月１０日上升为６．５ｋｍ左右，傍晚时分随着时间的增加，能见度随之降低，原因是日落使得热力对流活动减弱，逆温层产生，污染物重新集结使得大气能见度下降。通过线性拟合可知，两者之间的线性相关性很好，数据点基本上等概率分布于直线的两侧，最大相对偏差为１１．１２％。实际意义。通过对决定大气水平能见度的消光系数以及两种探测能见度方法的分析可知：要想获得能见度就必须首先获得大气消光系数；另一方面对前向散射原理的探讨为能见度仪的大规模国产化提供参考，同时也验证了安徽光机所自行研制的国内首台车载式拉曼激光雷达在测量能见度方面是可靠的（主体功能是进行水汽探测），从而扩展了车载式拉曼激光雷达的应用领域。４两种仪器的测量精度和影响因素基于可见光波段的前向散射能见度仪的测量精度为±１０％，工作时的环境温度为－４０￣５０℃，相对湿度为５％￣１００％ＲＨ，最大风速为１７ｍ／ｓ，能见度测量范围为１５ｍ￣５９．６ｋｍ，安装时尽量远离高大的建筑物和无线电发射装置，尽量不在阴雨天气情况下工作。对于ＲＭＬ激光雷达，根据误差传递原理，假设在激光传输路径上近、远２点ＲＢ和ＲＥ距离处，ＲＭＬ激光雷达所接收的回波功率分别为Ｐ（ＲＢ）和Ｐ（ＲＥ），则ＲＭＬ激光雷达探测大气水平能见度ＲＶ的相对误差为：参考文献：［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，范伟，陈秀红，等，云的光学特性对目标"背景对比度的影响分析．红外与激光工程），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（谢晨波，韩永，李超，等．车载式激光雷达测量大气水平能见度．强激光与粒子束），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（李丽，高稚允，王霞，等．雾的前向散射对距离选通成像系统的影响．红外与激光工程），２００４，３３（６）：５６２－５６６．例如：设ＲＢ＝１ｋｍ，ＲＥ＝５ｋｍ，ＲＭＬ激光雷达在这２个距离处的测量信号的误差分别为ΔＰ（ＲＢ）／Ｐ（ＲＢ）＝０．０３和ΔＰ（ＲＥ）／Ｐ（ＲＥ）＝０．０５，测量距离的误差为ΔＲＢ／ＲＢ＝ΔＲＥ／ＲＥ＝０．０５。这样，当能见度ＲＶ＝１０ｋｍ时，有ΔＲＶ／ＲＶ＝１６％。ＲＭＬ激光雷达的测量一般在大气水平均匀、非阴雨天气进行，以保证测量数据准确可靠。５结论大气水平能见度是表征近地表大气污染程度的重要物理量，对航空、航海、陆上交通以及军事活动都有重要影响，因此，发展能见度探测手段具有重要的［８］ＲＥＮＺｈｉ"ｂｉｎ，ＬＵＺｈｅｎ"ｗｕ，ＺＨＵＨａｉ"ｄｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎｍｉｃ"ｒｏｓｐｈｅｒｅｌｉｇｈｔｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］．ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（任智斌，卢振武，朱海东，等．微球体光散射的研究．红外与激光工程），２００４，３３（４）：４０１－４０４．#####################################################################敬告读者：本刊现已开通在线投稿系统，欢迎登陆本刊主页（ｈｔｔｐ：／／ｉｒｌａ．ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ）进行投稿。